КЛАПАННОЕ УСТРОЙСТВО
VALVE ASSEMBLY

Данное изобретение относится к клапанному устройству, содержащему клапан, регулирующий расход теплоносителя в теплообменном аппарате, имеющем первичный контур и вторичный контур, и устройство управления клапаном, имеющее термостатический элемент, на который воздействует температура во вторичном контуре и на который может воздействовать устройство изменения температуры и/или давления.
Такое клапанное устройство известно, например, из патента DE 2421810, согласно которому используемый клапан выполнен в виде радиаторного клапана. Для перенастройки отопления на пониженную температуру в ночное время термостатический элемент нагревают нагревающим устройством. При этом нагревающее устройство действует на корпус клапана, из которого теплый воздух доходит до термостатического элемента.
В патенте DE 3311493 раскрыто клапанное устройство, также выполненное в виде радиаторного клапана. В этом случае используется термостатический элемент, на который влияет не непосредственно температура помещения, а электрический нагревательный элемент. Этот нагревательный элемент управляется пропорционально-интегральным регулятором, соединенным с термочувствительным элементом, на котором сделана установка заданного значения.
В патенте DE 3821813 раскрыт термостатический клапан для систем отопления, в котором исполнительное устройство может изменять эффективный объем термостатического элемента, осуществляя тем самым перенастройку отопления на пониженную температуру в ночное время, при которой энергия потребляется только в момент регулировки.
Применение термостатических элементов для управления клапанами, регулирующими поток теплоносителя, оправдало себя. Данные клапаны, которые ниже называются "термостатическими клапанами", применяют не только в теплообменниках, выполненных в виде радиаторов отопления, но и в теплообменниках, предназначенных для нагрева воды. В таких водонагревателях первичный контур снабжается, например, от теплофикационной установки или системы отопления.
Термостатические клапаны образуют часть конура регулирования. В этой связи преимущество термостатического элемента заключается в том, что он сравнительно быстро реагирует на изменения, например изменения окружающей температуры, возникающие в результате внешних воздействий. К примеру, температура в помещении может меняться не только вследствие теплового излучения от радиатора, но и из-за солнечного облучения или присутствия в помещении большого количества людей.
Недостаток термостатических элементов состоит в том, что они имеют по существу пропорциональную характеристику регулирования. Вследствие этого в большинстве случаев сохраняется некоторое рассогласование регулирования, т.е. ошибка, на величину которой фактически достигнутое действительное значение температуры отличается от заданного значения.
Управление клапанами можно осуществлять и другими способами, например при помощи двигателя. К сожалению, двигатель, как правило, имеет недостаток, состоящий в том, что он реагирует сравнительно медленно, хотя иногда быстрое реагирование можно обеспечить при помощи мощного двигателя. Однако во многих случаях требуемой скорости нельзя достигнуть даже при помощи мощного двигателя. Помимо этого двигателю присущ еще один недостаток - он дорог, и для его размещения требуется сравнительно большое пространство.
Таким образом, задача данного изобретения заключается в обеспечении быстрого управления клапаном при подходящей характеристике регулирования.
В случае клапанного устройства вышеназванного типа эта задача решена благодаря тому, что на указанное устройство изменения температуры и/или давления влияет физическая величина, получаемая от клапана или теплообменного аппарата.
В результате термостатический элемент управляется не только температурой второго контура, следствием чего могла бы стать систематическая ошибка регулирования, возникающая из-за пропорциональной характеристики регулирования. Напротив, на действие термостатического элемента влияют дополнительно, изменяя его температуру и/или существующее в термостатическом элементе давление. Чтобы осуществить перенастройку отопления на пониженную температуру в ночное время или снова увеличить заданное значение дневной температуры, это изменение осуществляют не в виде функции времени. Напротив, это влияние осуществляют с целью изменения регулировочной характеристики термостатического элемента на основании физических параметров, изменение которых благодаря этому можно учесть.
Согласно предпочтительному варианту изобретения в нем предусмотрено управляющее устройство, выполненное с возможностью определения рассогласования регулирования на клапане и с возможностью управления указанным устройством изменения температуры и/или давления с учетом этого рассогласования. Благодаря такому варианту изобретения обеспечивается возможность введения в регулирование интегральной компоненты. В зависимости от того, каким образом работает управляющее устройство, в регулирование при необходимости можно также ввести дифференциальную компоненту. Таким образом, можно реализовать пропорционально-интегральное или даже пропорционально-интегрально-дифференциальное регулирование. Физические величины, необходимые для осуществления такого регулирования, можно снимать с клапана или теплообменного аппарата.
Например, можно предусмотреть датчик давления, выполненный с возможностью определения давления в термостатическом элементе. Устройство изменения температуры и/или давления реагирует на давление в термостатическом элементе. С этим фактическим давлением можно сравнивать заданное давление, которое должно коррелировать с температурой вторичного контура теплообменного аппарата. Если фактическое давление не соответствует заданному давлению, устройство изменения температуры и/или давления приводится в действие и меняет давление в термостатическом элементе до тех пор, пока не будет достигнуто лучшее соответствие. Хотя во многих случаях полного соответствия между двумя указанными давлениями обеспечить не удается, регулировочная характеристика термостатического элемента улучшается существенно.
Согласно одному из вариантов изобретения клапан имеет шток, положение которого определяется датчиком положения, причем указанное устройство изменения температуры и/или давления реагирует на смещение штока. В этом случае можно корректировать смещение штока, т.е. фактическое положение затвора клапана относительно седла клапана, обеспечивая тем самым лучшее соответствие между фактической температурой во вторичном контуре и заданной температурой.
В соответствии с одним из вариантов изобретения во вторичном контуре теплообменного аппарата предусмотрен температурный датчик, определяющий фактическую температуру, а также сравнивающее устройство, определяющее разницу между фактической температурой и заданной температурой, причем указанное устройство изменения температуры и/или давления реагирует на эту разницу. Если термостатический элемент уже оснащен дистанционным датчиком, то указанный температурный датчик предусматривают дополнительно к этому дистанционному датчику. В этом случае устройство изменения температуры и/или давления тоже воздействует на термостатический элемент с тем, чтобы уменьшить рассогласование регулирования.
В предпочтительном случае термостатический элемент имеет выведенный наружу соединительный элемент, с которым соединена дополнительная емкость, причем указанное устройство изменения температуры и/или давления воздействует на эту дополнительную емкость. Такой вариант изобретения может оказаться предпочтительным со многих точек зрения. Например, если внутри терморегулирующей насадки радиаторного клапана недостаточно места для установки устройства изменения температуры и/или давления, это устройство можно установить в другом месте. Еще одно преимущество дополнительной емкости состоит в том, что в ней можно хранить больший объем рабочей среды, величина которого меняется при изменении температуры. В этом случае устройство изменения температуры и/или давления может оказывать значительное воздействие на термостатический элемент даже при незначительных изменениях давления или температуры.
Согласно предпочтительному варианту изобретения устройство изменения температуры и/или давления выполнено с возможностью функционирования в режиме подачи тепла и режиме поглощения тепла. В результате устройство изменения температуры и/или давления может охлаждать термостатический элемент, поглощая его тепло, или нагревать его, отдавая ему тепло. Это еще больше расширяет возможности воздействия на термостатический элемент.
В особо предпочтительном случае устройство изменения температуры и/или давления содержит элемент Пельтье. Элемент Пельтье может обеспечивать как нагрев, так и охлаждение, причем обе эти функции можно регулировать сравнительно просто благодаря соответствующей подачи тока на этот элемент.
Согласно особенно предпочтительному варианту изобретения теплообменный аппарат выполнен в виде водонагревателя, имеющего первичный подводящий трубопровод и первичный отводящий трубопровод в первичном контуре, а также вторичный подводящий трубопровод и вторичный отводящий трубопровод во вторичном контуре, причем через вторичный отводящий трубопровод можно осуществлять забор воды, имеющей повышенную температуру. Температуру воды определяют при помощи температурного датчика, установленного на вторичном отводящем трубопроводе. В этом случае указанная температура управляет клапаном, установленным в первичном контуре, а именно либо в первичном подводящем трубопроводе, либо в первичном отводящем трубопроводе. В начале процесса отбора теплой воды в водонагревателе происходят сравнительно большие скачки температуры. Эти скачки можно достаточно быстро компенсировать при помощи термостатического элемента. В предпочтительном случае, чтобы уменьшить систематическую ошибку регулирования, применяют устройство изменения температуры и/или давления.
В соответствии с предпочтительным вариантом изобретения на устройство изменения температуры и/или давления воздействует температура первичного подводящего трубопровода. Эта температура представляет собой физическую величину на теплообменном аппарате, на основе которой уменьшают рассогласование.
В весьма предпочтительном варианте изобретения устройство изменения температуры и/или давления содержит теплопроводное соединение, размещенное между первичным подводящим трубопроводом и термостатическим элементом. В этом случае температура первичного подводящего трубопровода через теплопроводное соединение передается прямо на термостатический элемент. Благодаря такому сравнительно простому техническому решению обеспечиваются улучшенные характеристики клапана.
Указанное теплопроводное соединение предпочтительно выполнено из металлической проволоки, в частности медной, находящейся в теплопроводном контакте с первичным подводящим трубопроводом и термостатическим элементом. В простейшем случае проволоку можно намотать несколько раз вокруг первичного подводящего трубопровода и несколько раз вокруг термостатического элемента. В этом случае за счет применения меди или металла с аналогичными теплопроводными свойствами можно простым образом обеспечить превосходную характеристику регулирования.
Как альтернатива или дополнение сказанному выше указанное теплопроводное соединение может быть выполнено в виде трубопровода, в частности в виде капиллярной трубки, сообщающейся с первичным подводящим трубопроводом. В этом случае, чтобы перемещать жидкость по трубопроводу и, таким образом, переносить тепло, используют перепад давления на теплообменнике.
Ниже изобретение описано на примере предпочтительных вариантов его выполнения, раскрытых со ссылкой на сопровождающие чертежи. На чертежах показано следующее.
Фиг.1 схематически изображает клапанное устройство.
Фиг.2 изображает теплообменный аппарат, оснащенный клапанным устройством.
Фиг.2а изображает теплообменный аппарат, соответствующий модифицированному варианту по сравнению с показанным на фиг.2.
Фиг.3 дает схематический вид, поясняющий характеристику открытия клапана.
Фиг.4 дает схематический вид, поясняющий модифицированную характеристику открытия клапана.
Фиг.5 изображает вариант изобретения, модифицированный по сравнению с показанным на фиг.1.
Фиг.6 изображает еще один теплообменный аппарат.
Как показано на фиг.1, клапанное устройство 1 оснащено клапаном 2, содержащим затвор 3 и седло 4. Затвор 3 закреплен на штоке 5, приводимом в действие термостатическим элементом 6. В термостатическом элементе 6 находится рабочая среда 7, объем которой меняется в зависимости от температуры. Рабочая среда 7 может быть жидкой или газообразной, или она может представлять собой смесь жидкости и газа. Также она может представлять собой твердое вещество, например воск. Кроме того, можно применять поглощающую среду. Между тем, следует понимать, что перечисленными видами рабочие среды не ограничиваются.
Также в конструкции предусмотрена пружина 8 для открытия клапана, действующая на затвор 3 в направлении, противоположном седлу 4 клапана. Давление в термостатическом элементе 6 действует против силы пружины, т.е. в направлении закрытия.
Клапан 2 регулирует поток теплоносителя, протекающий из подводящего трубопровода 9 в отводящий трубопровод 10, который сообщается с теплообменником, например с радиатором или водонагревателем (тип соединения на чертеже детально не показан). Далее при описании варианта изобретения, соответствующего фиг.1, мы будем исходить из того, что используемый радиатор нагревает помещение 11, в котором расположен дистанционный датчик 12, соединенный посредством капиллярной трубки 13 с термостатическим элементом 6. Если температура в помещении 11 повышается, рабочая среда 7 в дистанционном датчике 12 расширяется и вытесняется по капиллярной трубке 13 в термостатический элемент 6. Вследствие этого объем внутри термостатического элемента 6 увеличивается, и поэтому шток 5 клапана приближает затвор 3 к седлу 4 клапана и дросселирует поток подводимого к теплообменнику теплоносителя. Соответственно, температура в помещении 11 далее не повышается или даже падает. Если же температура в помещении 11 понижается, то объем рабочей среды 7 в дистанционном датчике 12 уменьшается, поэтому пружина 8 для открытия клапана отводит затвор 3 от седла 4 клапана. В результате поток подводимого теплоносителя увеличивается.
Если термостатический элемент 6 установлен в помещении 11, то зачастую можно обойтись и без дистанционного датчика 12.
Указанный термостатический элемент действует как пропорциональный регулятор (П-регулятор). Такой П-регулятор имеет систематическое рассогласование регулирования.
Для уменьшения этого систематического рассогласования регулирования предусмотрено устройство 14 изменения температуры и/или давления, которое воздействует на термостатический элемент 6 или на сообщающуюся с ним через трубопровод 15 дополнительную емкость 16. Дополнительная емкость 16 также содержит рабочую среду 7.
Дополнительная емкость 16 соединена с элементом 17 Пельтье, управляемым управляющим устройством 18. Элемент 17 Пельтье может как нагревать дополнительную емкость 16, если он отдает ей тепло, так и охлаждать ее, если он поглощает ее тепло. Элемент 17 Пельтье также можно перевести в нейтральное состояние, при котором он ни забирает тепло от дополнительной 16 емкости, ни отдает тепло в эту емкость.
На управляющее устройство 18 воздействует ошибка F, на чертеже это показано схематично. В общем случае ошибка представляет собой рассогласование регулирования, обусловленное термостатическим элементом 6. Определить ошибку F можно различным образом. В термостатическом элементе 6 можно установить датчик 19 давления, измеряющий давление рабочей среды 7. Можно использовать датчик 20 положения штока клапана, который определяет положение штока 5, а вместе с тем и его смещение, т.е. определяет разницу между ожидаемым заданным положением штока 5 и фактически имеющимся положением штока 5.
Также можно использовать дополнительный температурный датчик 21, который измеряет фактическую температуру в помещении 11 и сравнивает ее с заданной температурой. Три датчика 19-21 соединены с управляющим устройством 18, однако в целях облегчения читаемости чертежа эти соединения на чертеже не показаны. Прямоугольник 100 обозначает позицию, представляющую расположение в схеме одного или нескольких датчиков 19 -21 относительно управляющего устройства 18.
Следует понимать, что элемент 17 Пельтье (или другой регулятор температуры) может быть установлен прямо на термостатическом элементе 6. В этом случае воздействие термостатического элемента 6 можно изменять независимо от влияния температуры в помещении 11. В частности, можно уменьшать ошибку, обусловленную систематическим рассогласованием регулирования. Несмотря на это быстрота реагирования, которой отличается термостатический элемент 6, по прежнему сохраняется для регулирования клапана 2.
На фиг.2 показан вариант, при котором клапан 2 (показан схематично) соединен с водонагревателем 22. Водонагреватель 22 представляет собой теплообменник, имеющий первичный контур 23 и вторичный контур 24. Первичный контур 23 включает в себя первичный подводящий трубопровод 25 и первичный отводящий трубопровод 26. Вторичный контур имеет вторичный подводящий трубопровод 27 и вторичный отводящий трубопровод 28. Первичный контур 23 соединен, например, с теплофикационной сетью или домовой системой отопления. Из вторичного контура 24 потребитель может отбирать теплую воду.
Во вторичном отводящем трубопроводе 28 установлен температурный датчик 29, соединенный с термостатическим элементом 6. Если потребитель отбирает теплую воду, температура во вторичном отводящем трубопроводе 28 падает и клапан 2 открывается сильнее, в результате чего в первичном контуре 23 происходит усиленный расход сетевой жидкости.
Между первичным подводящим трубопроводом 25 и термостатическим элементом 6 предусмотрено теплопроводное соединение 30. В простейшем случае это теплопроводное соединение 30 образовано из медной проволоки 31 или проволоки из другого хорошо проводящего тепло материала, намотанной вокруг первичного подводящего трубопровода 25 и термостатического элемента 6. Его можно выполнить также в виде наполненного водой или другой текучей средой трубопровода 31а (см. фиг.2а). Эта среда предназначена для переноса тепла, например, как и в вышеприведенном варианте, посредством конвекции. В результате термостатический элемент 6 приобретает температуру, приблизительно равную температуре первичного подводящего трубопровода 25. На фиг.2а одинаковые элементы и элементы, выполняющие одни и те же функции, обозначены теми же номерами позиций, как и на фиг.2. Вследствие перепада давления на теплообменнике 22 текучая среда перемещается по капиллярной трубке 31а.
Функционирование устройства поясняется при помощи фиг.3 и 4. На фиг.3 и 4 показана характеристика клапана, причем по оси Х отложена температура датчика, а по оси Y - степень открытия клапана. Сплошная линия 32 на фиг.3 показывает нормальную рабочую характеристику термостатического элемента 6. Если температура термостатического элемента 6 повышается, линия 32 сдвигается к линии 33. Если температура термостатического элемента падает, линия 32 сдвигается к линии 34. В зависимости от рабочей точки термостатического элемента (например точки, в которой открывается клапан 2), температуру термостатического элемента 6 можно установить так, что температура вторичного отводящего трубопровода 28, определяемая температурным датчиком, будет равна для всех рабочих точек. Это показано вертикальной линией 35.
Внедрение интегрального звена в виде изменения температуры термостатического элемента 6 позволяет снизить усиление в контуре регулирования, не увеличивая систематического рассогласования. Иначе говоря, отклонение температуры отбираемой воды во вторичном отводящем трубопроводе 28 уменьшается или даже полностью пропадает. Это в свою очередь ведет к повышению устойчивости контура регулирования. Данное обстоятельство проиллюстрировано на фиг.4. На этом чертеже линия 32 также показывает нормальный рабочий режим термостатического элемента 6, линия 33 - рабочую характеристику при повышенной температуре термостатического элемента 6, а линия 34 - рабочую характеристику при пониженной температуре термостатического элемента 6.
Вправо на фиг.3 и 4 отложена температура датчика 29, вверх - расход в первичном контуре 23. Их этих чертежей видно, что линия 36 имеет наклон, т.е. отклонение температуры теплой воды, отобранной из вторичного контура, больше, чем в варианте, изображенном на фиг.3. Тем не менее, это отклонение все еще находится в допустимом диапазоне.
На фиг.5 схематично показано клапанное устройство, которое в целом соответствует устройству, изображенному на фиг.1. Следовательно, одинаковые или одинаково функционирующие элементы обозначены одинаковыми номерами позиций.
Здесь изменено только устройство 14а, воздействующее на термостатический элемент 6. В этом варианте изобретения оно влияет лишь на давление рабочей среды 7. Для этого дополнительная емкость 16 соединена устройством 37 изменения давления (показано схематично), которое в свою очередь регулируется управляющим устройством 18. Устройство 37 изменения давления влияет на давление рабочей среды 7 в термостатическом элементе 6. Для этого оно, например, может изменять объем в дополнительной емкости 16, заполненной рабочей средой 7. Устройство 37 изменения давления может иметь разную конструкцию. Например, оно может быть выполнено в виде насоса, сервопривода или мембранного привода.
На фиг.6 показан вариант, представляющий собой модификацию варианта, изображенного на фиг.2. Следовательно, одни и те же элементы обозначены на этих чертежах одинаковыми номерами позиций, т.е. номерами позиций, используемыми на фиг.2.
Согласно фиг.6 теплообменный аппарат кроме водонагревателя 22 имеет еще один теплообменник 40, предусмотренный для питания радиаторов 41 системы отопления. Насос 42 осуществляет принудительную циркуляцию жидкого теплоносителя в радиаторах 41 и вторичном контуре 43 теплообменника 40. Первичный контур 44 теплообменника 40 также соединен с первичным подводящим трубопроводом 25 и первичным отводящим трубопроводом 26, например, относящимися к теплофикационной сети.
Расход теплоносителя в первичном контуре 44 управляется клапаном 45, приводимым в действие посредством термостатического элемента 46 или другим способом, например посредством электродвигателя. На термостатический элемент 46 воздействует температурный датчик 47, установленный во вторичном контуре 43.
Термостатический элемент 6, управляющий клапаном 2 для водонагревателя 22, через теплопроводное соединение 30 соединен с первичным подводящим трубопроводом 48 и первичным отводящим трубопроводом 49, поэтому на него воздействует тепло первичного контура 44 теплообменника 40. В результате это техническое решение предпочтительным образом учитывает тот факт, что летом и зимой в центральном отоплении существуют различные температурные режимы.
Зимой температура теплоносителя в системе централизованного теплоснабжения составляет, например 100°С. Радиаторы 41 должны снабжаться теплом, поэтому теплообменник 40 активен. Так как теплопроводное соединение 30 подает тепло первичного контура 44 теплообменника 40 к термостатическому элементу 6 клапана 2 для водонагревателя 22, то для термостата управляемого контура регулирования получают уменьшающееся отклонение температуры и, следовательно, расширенную зону пропорционального регулирования.
Летом температура теплоносителя в теплофикационной сети обычно ниже. Она составляет, например 65°С. Летом радиаторы 41 не эксплуатируют. Соответственно теплообменник 40 также не должен работать, поскольку для отопления дома тепло практически не требуется. Это означает, что термостатический элемент 6 первичным контуром 44 теплообменника 40 не нагревается. Таким образом, получают нормальное рассогласование регулирования.