Система автоматизированного регулирования теплоснабжения

(51) 05 23/00 (2006.01) 05 23/19 (2006.01) КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН(57) Предлагаемое изобретение относится к автоматизированному оборудованию для поставки и распределения тепловой энергии между потребителями. Задачей предлагаемого изобретения является замена электронно-механических регуляторов теплоснабжения на более простую систему, не потребляющую электрическую энергию,позволяющую сберечь энергию при ее поставке и распределении. Технический результат изобретения заключается в создании простого и надежного механизма на основе легкокипящих жидкостей, обеспечивающего снижение расхода электроэнергии в автоматизированных тепловых пунктах.(72) Унасбеков Берикбай Акибаевич Сабденов Каныш Оракбаевич(73) Республиканское государственное предприятие на праве хозяйственного ведения Евразийский национальный университет им. Л.Н. Гумилева Министерства образования и науки Республики Казахстан(54) СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ Предлагаемое изобретение относится преимущественно к области коммунального теплоснабжения и может быть использовано в тепловых сетях жилых и общественных зданий, где необходимо поддерживать заданный температурный режим и которые питаются тепловой энергией от внешнего источника. На практике нашли широкое применение системы автоматизированного регулирования теплоснабжения, содержащие датчики температуры подающей и обратной магистральных труб,температуры внутри и снаружи здания,электронный регулятор и электромеханический привод для закрытия (открытия) клапанов и вентилей теплового пункта здания Невский В.В.,Дудник Д.А., Семянников СВ., Сидоркин Д.А.,Теняев А.Н. Стандартные автоматизированные блочные тепловые пунктыПособие. - М. ООО Данфосс, 2011. с.50. с.11-12 Пырков В.В. Современные тепловые пункты Автоматика и регулирование. - К.ДП Таю справи, 2007. - 252 с ил., , с.202-213. Такие системы автоматизированного регулирования теплоснабжения (далее, САРТ) являются полностью зависимыми от городской электросети, потребляют много энергии для питания электродвигателя насоса Пырков В.В. Современные тепловые пункты Автоматика и регулирование. - К.ДП Таю справи, 2007. с.252 ил., с.202-213, с.211, рис.6.61, работающего бесперебойно в течение всего отопительного сезона,электропривода исполнительного блока Пырков В.В. Современные тепловые пункты Автоматика и регулирование. - К.ДП Таю справи, 2007. с.252 ил., с.202-213, с.209, рис.6.60,систематически закрывающего и открывающего вентиль или клапан смесительной трубы. Существующие к настоящему времени другие различные модификации САРТ Пат. 2348061 РФ,МПК 05 23/00. Система автоматического регулирования отопления здания с автоматическим задатчиком. - Пат. 2196274 РФ, МПК 24 19/10. Способ автоматического регулирования расхода тепла в системе центрального отопления здания. в основе повторяют указанную выше структуру,отличаясь только методикой учета тепла или электронными начинками, позволяющие проводить такой учет. САРТ относительно дорогие и сложные в обслуживании устройства,при наличии неисправностей и сбоев требуется специализированные сервисные и ремонтные службы. Это делает систему отопления здания еще больше зависимой от различного рода факторов,нарушающих нормальные условия эксплуатации. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому изобретению является Пат. 2284563 РФ, МПК 05 23/00, 05 23/19. Система автоматического регулирования отопления по двум фасадам здания с теплообменником., содержащий исполнительный механизм с клапанами и электроприводами,электронный регулятор на базе контроллеров,2 датчики температуры наружного и внутреннего воздуха, температуры теплоносителя подающей и обратной труб с теплообменниками (погодный компенсатор). В составляющих частях САРТ Пат. 2284563 РФ,МПК 05 23/00, 05 23/19. Система автоматического регулирования отопления по двум фасадам здания с теплообменником. в большом количестве используются дорогостоящие цветные металлы (преимущественно алюминий, медь и серебро) и специфические материалы, особенно в электродвигателях, электромагнитных клапанах,трансформаторах и реле. В случае перебоев с поставкой электроэнергии САРТ Пат. 2284563 РФ, МПК 05 23/00, 05 23/19. Система автоматического регулирования отопления по двум фасадам здания с теплообменником. перестают выполнять в полной мере свою функцию (за исключением, электронного регулятора, для которого предусматривается аккумулятор 2, стр. 208). И, тем самым, могут привести или к аварийной ситуации, или способствовать ее развитию при возникновении аварии по другим причинам. САРТ Пат. 2284563 РФ, МПК 05 23/00, 05 23/19. Система автоматического регулирования отопления по двум фасадам здания с теплообменником. имеют потенциальную опасность удара электрическим током, а в условиях повышенной влажности эта опасность существенно возрастает. При эксплуатации САРТ Пат. 2284563 РФ, МПК 05 23/00, 05 23/19. Система автоматического регулирования отопления по двум фасадам здания с теплообменником. имеется возможность возникновения пожара из-за износа изоляции проводов и плохого контакта, вызванного старением материалов из-за высокой влажности в месте его расположения(подвальные помещения),не соблюдения строгих правил обращения с электрическим током и его проводниками. Недостатком САРТ Пат. 2284563 РФ, МПК 05 23/00, 05 23/19. Система автоматического регулирования отопления по двум фасадам здания с теплообменником. является также его конструктивная сложность он состоит из большого числа отдельных блоков, а они, в свою очередь - из деталей и узлов. Сложность ведет к росту вероятности отказа, эта вероятность складывается из вероятностей отказа составляющих частей Савоськин Н.Е. Надежность электрических систем Учебное пособие. - Пенза Изд-во Пензенского государственного университета, 2004. с.21, 38. Потребляемая электрическая мощность САРТ Пат. 2284563 РФ, МПК 05 23/00, 05 23/19. Система автоматического регулирования отопления по двум фасадам здания с теплообменником. относительно не высокая, но будучи включенный круглосуточно в течении отопительного сезона и лет эксплуатации, его суммарное потребление электроэнергии за весь период работы оказывается значительным. САРТ Пат. 2284563 РФ, МПК 05 23/00, 05 23/19. Система автоматического регулирования отопления по двум фасадам здания с теплообменником. снабжаются объемными инструкциями по пользованию, их конструктивная сложность фактически требует постоянно задействованного обслуживающего персонала с достаточной квалификацией или наличия сервисной фирмы. Это обстоятельство повышает реальную стоимость САРТ Пат. 2284563 РФ, МПК 05 23/00, 05 23/19. Система автоматического регулирования отопления по двум фасадам здания с теплообменником., которая не закладывается в стоимость при продаже на рынке. Задачей предлагаемого изобретения является упрощение конструкции системы автоматического регулирования теплового режима в здании,снижение эксплуатационных издержек и повышение ее безопасности. Решение поставленной задачи достигается использованием для работы автомата и его исполнительного механизма потока тепловой энергии из магистрального трубопровода и потока энергии, возникающего при колебании температуры вследствие изменения погоды, отличающийся тем,что исполнительный механизм выполнен в виде цилиндрической камеры с легкокипящей жидкостью с температурой кипения в интервале 5090 С при атмосферном давлении а наружная часть камеры находится в контакте со свободно передвигающимися вдоль поверхности камеры теплообменниками,к которым подается теплоноситель от подающего и обратного трубопровода системы отопления здания, причем внутри камеры установлен поршень, на шток которого прикреплена зубчатая рейка в направляющей, которая связана с зубчатым колесом, ось которого кинематически сопряжена с запорно-регулирующим устройством смесительной трубы для изменения расхода теплоносителя между подающим и обратным трубопроводами, а погодный компенсатор выполнен в виде цилиндрической камеры с легкокипящей жидкостью с температурой кипения в интервале-258 С при атмосферном давлении и поршнем,шток которого жестко связан с теплообменниками исполнительного блока. Камера погодного компенсатора одновременно играет роль датчика температуры и автомата для регулировки теплового состояния рабочей жидкости в камере исполнительного механизма посредством теплообменников,а пружина с заранее рассчитанными свойствами - роль контроллера,задающего условия в камере исполнительного механизма. Камера исполнительного механизма одновременно играет роль привода для изменения теплового режима в здании и устройства,обрабатывающего информацию из погодного компенсатора и определяющего задание по новому тепловому режиму согласно изменившимся условиям снаружи здания. Признаки, введенные в отличительную часть формулы изобретения, являются новыми, не имеются ни у аналогов, ни у прототипа,характеризуются возможностью технической реализации и в полной мере обеспечивают достижение поставленной цели. Сущность предлагаемого изобретения для регулировки температурного режима в отапливаемом здании поясняется по схеме,изображенной на фигуре 1. Автоматический регулятор температуры состоит из исполнительного блока и погодного компенсатора. Исполнительный блок содержит камеру 1 с поршнем 2. Пространство между торцом камеры и поршнем заполняется частично жидкостью 3 с температурой равновесного кипения при атмосферном давлении. Эта температура должна быть больше температуры на выходе из потребителя, но меньше температуры на входе. На противоположном торце камеры выполнено отверстие для штока 4 поршня. Между поршнем и торцом камеры 1 находится пружина 5. Шток посредством зубчатой рейки 6 соединяется с вентилем, на оси которой находится шестерня 7, а сам вентиль присоединен к смесительной трубе. К камере подводится тепло от прямой 8 и обратной 9 трубы посредством идентичных и скрепленных друг с другом теплообменников 10. Торцевые части камеры покрыты теплоизоляционным материалом. Автоматический регулятор температуры работает следующим образом. При некоторой (средней или оптимальной) температуре поршень находится в нейтральном положении, внутри камеры 1 установилось атмосферное давление. Давление в камере 1,согласно закону Клапейрона -Клаузиуса Бэр Т.Д. Техническая термодинамика. Пер. с нем. - М. Мир,1977. с.518, с.210-213, определяется температурой в ней как 001, 0 где р 0 - давление при температуре Т 0-универсальная газовая постоянная,8,31 Дж/кгК -теплота фазового перехода молярная масса жидкости в .камере. Отсюда следует, что при малом отклонениитемпературы от начального значения ТТ 0, изменение давления р составит 0 Такой экспоненциальный рост давления и большое значение р 0105 Па позволяет во-первых,создавать поршнем достаточные усилия для регулировки клапанами и(или) вентилями, вовторых, делает одновременно камеру достаточно чувствительным датчиком изменения температуры. Т.е. камера исполнительного механизма и погодного компенсатора могут выполнять сразу две необходимые и важные функций. Погодный компенсатор состоит из аналогичной камеры с поршнем, но содержит рабочую жидкость с более низкой температурой равновесного кипения при атмосферном давлении, чем в основном исполнительном блоке. Жидкости для камер исполнительного механизма и погодного компенсатора с требуемыми параметрами можно найти среди углеводородов Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам жидкостей и газов Издание 2-е,дополненное. - М. Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит. 1972. с.720. или легко приготовить, смешав два или более веществ с различными температурами равновесного кипения при атмосферном давлении. Желательно, чтобы температура кипения рабочей жидкости в камере исполнительного механизма была равна среднеарифметическому значению от температур на входе и выходе потребителя, а температура кипения рабочей жидкости в камере погодного компенсатора -среднеарифметическому значению от температур при самой холодной зиме и температуры начала отопительного сезона. В этом случае движение поршней будет равномерным в обе стороны. Пусть температура наружного воздуха понизилась (но в городской тепловой сети все еще поддерживается относительно низкая температура воды). Тогда в камере погодного компенсатора давление тоже понизится. Поршень в его камере сдвинется вправо, потянув за собой теплообменники посредством штока 11. Тогда вклад прямой(горячей) трубы в обогрев камеры 1 увеличится. Это приведет к росту температуры и давления в этой камере. Поршень 2 сдвинется влево, закрывая вентиль и снижая подмешивание из обратной трубы. Это будет происходить до тех пор, пока не установится новое стационарное состояние. Это состояние характеризуется сжатой пружиной 5 настолько, чтобы уравновесить возросшее давление внутри камеры 1. При повышении температуры окружающего воздуха (но в городской тепловой сети все еще поддерживается относительно высокая температура воды) весь процесс пойдет в обратном порядке. Возросшее подмешивание приведет к снижению температуры в помещениях здания. Наличие пружин в камерах позволяет поддерживать в них нужное равновесное давление,а также дает возможность возврата системы регулирования в исходное стабильное состояние. Приведем приближенные оценки. Типичные значения рабочей жидкости для камеры исполнительного механизма Варгафтик Н.Б. Справочник по теплофизическим свойствам жидкостей и газов Издание 2-е, дополненное. - М. Наука, Гл. ред. физ.-мат. лит. 1972. с.720. 350 кДж/кг, 0,08 кг/моль, Т 077 С 350 К. Тогда при колебаниях температуры на 5 С,получим оценку р 14,6 кПа. Уже при диаметре поршня всего в 0,1 м получим усилие 11,7 кг. При этом ход поршня может быть подобран по необходимости, он ограничивается жесткостью его пружины, длиной камеры и количеством рабочей жидкости в камере. Отношение р/р 0 можно взять за числовую характеристику температурной чувствительности камеры. В данном примере она составляет р/р 00,145. Чувствительность к колебаниям температуры и силовая характеристика камеры погодного компенсатора еще выше. Для нее 0-23 С 250 К. При прежних значениях остальных параметров получим следующие числовые данные р/р 00,31 р 31,3 кПа 25,0 кг. Приведенные оценки показывают жизнеспособность изобретения в качестве системы автоматического регулятора теплоснабжения общественного или жилого здания. Использование предлагаемого изобретения в сравнении с известными устройствами позволяет снизить себестоимость автоматизированных тепловых пунктов и их обслуживание, где значительную часть их стоимости составляет система автоматического регулирования температуры. Изобретение позволяет экономить электроэнергию и в более полной мере использовать энергию теплоносителя в централизованной системе теплоснабжения, что ведет к повышению ее КПД, и частично использовать энергию окружающей среды. Конструктивная простота изобретения делает его высоконадежной системой с минимальным количеством узлов и деталей. Новый регулятор температуры дает возможность отказаться от дорогостоящих цветных металлов,которые в большом количестве содержатся в существующих электромеханических регуляторах,не приводит к необходимости обращения к сервисным службам при наличии неисправностей. Стоимость такого регулятора ориентировочно будет, по крайней мере, в 1020 раз меньше стоимости современных электронно-механических регуляторов. Изобретение наиболее целесообразно использовать в жилых и общественных зданиях для автоматизации тепловых пунктов, подключенных к центральному отоплению, а также в частных индивидуальных домах, подключенных к системе центрального теплоснабжения. Так как в предлагаемом изобретении регулирование производится путем изменения расхода жидкости, то он может выполнять еще роль регулятора расхода и давления, т.к. расход прямо пропорционален квадратному корню от перепада давления Зингер Н.М. Гидравлические и тепловые режимы теплофикационных сетей 2-е издание,переработанное и дополненное. М. Энергоатомиздат, 1986. с.320., с.17. Поэтому изобретение можно использовать в различных отраслях промышленности,в отдельных технических устройствах,где требуется производить регулирование расхода или давления по изменению температуры. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Система автоматизированного регулирования теплоснабжения,содержащая исполнительный механизм для изменения расхода теплоносителя через смесительную трубу между подающим и обратным трубопроводами и погодный компенсатор,отличающаяся тем,что исполнительный механизм выполнен в виде цилиндрической камеры с легкокипящей жидкостью с температурой кипения в интервале 5090 С при атмосферном давлении и поршнем,на штоке которого установлена зубчатая рейка в направляющей и связанная с зубчатым колесом, ось которого кинематически сопряжена с запорнорегулирующим устройством,а погодный компенсатор выполнен в виде цилиндрической камеры с легкокипящей жидкостью с температурой кипения в интервале -258 С при атмосферном давлении и поршнем, шток которого жестко связана с теплообменниками исполнительного блока.