Документ описывает инновационный патент на систему автоматизированного регулирования теплоснабжения, разработанную для улучшения эффективности и безопасности теплоснабжения зданий. Эта система заменяет сложные электронные и механические регуляторы более простым и надежным механизмом, использующим легкокипящие жидкости, что снижает потребление электрической энергии. Предложенное изобретение существенно упрощает конструкцию, потенциально снижая эксплуатационные затраты и повышая безопасность системы.

1. РЕСПУБЛИКА КАЗАХСТАН
(19) KZ (13) A4 (11) 28486
(51) G05D 23/00 (2006.01)
G05D 23/19 (2006.01)
КОМИТЕТ ПО ПРАВАМ
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ
МИНИСТЕРСТВА ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ИННОВАЦИОННОМУ ПАТЕНТУ
(21) 2013/0857.1
(22) 27.06.2013
(45) 15.05.2014, бюл. №5
(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
(56) RU 2284563 C1, кл.G05D 23/00, G05D 23/19,
27.09.2006
(54) СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО
РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ
(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.
(19)KZ(13)A4(11)28486

2. 28486
2
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 пункты «Danfoss»: Пособие. - М.:
ООО Данфосс, 2011. с.50. с.11-12] [Пырков В.В.
Современные тепловые пункты: Автоматика и
регулирование. - К.: II 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.: II 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.: II 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 G 05 D23/00. Система автоматического
регулирования отопления здания с автоматическим
задатчиком. - Пат. 2196274 РФ, МПК F24D 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
G05D 23/00, G05D 23/19. Система автоматического
регулирования отопления по двум фасадам здания с
теплообменником.], содержащий исполнительный
механизм с клапанами и электроприводами,
электронный регулятор на базе контроллеров,
датчики температуры наружного и внутреннего
воздуха, температуры теплоносителя подающей и
обратной труб с теплообменниками (погодный
компенсатор).
В составляющих частях САРТ [Пат. 2284563 РФ,
МПК G05D 23/00, G05D 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 G05D 23/00, G05D
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 G05D 23/00, G05D
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
G05D 23/00, G05D 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
G05D 23/00, G05D 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 G05D 23/00, G05D 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.

3. 28486
3
САРТ [Пат. 2284563 РФ, МПК G05D 23/00, G05D
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 G05D
23/00, G05D 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
+50...+90°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
-25...+8°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
,1exp 0
0
0 











−⋅=
T
T
RT
L
pp
µ
где р0 - давление при температуре Т0;
R-универсальная газовая постоянная,
R=8,31 Дж/кг·К; L-теплота фазового перехода; µ-
молярная масса жидкости в .камере. Отсюда
следует, что при малом отклонении ∆T температуры
от начального значения: Т=Т0+∆T, изменение
давления ∆р составит
.1exp 2
0
0 





−





∆⋅≈∆ T
RT
L
pp
µ
Такой экспоненциальный рост давления и
большое значение р0 ≈ 105
Па позволяет во-первых,
создавать поршнем достаточные усилия для
регулировки клапанами и(или) вентилями, во-
вторых, делает одновременно камеру достаточно
чувствительным датчиком изменения температуры.
Т.е. камера исполнительного механизма и погодного
компенсатора могут выполнять сразу две
необходимые и важные функций.

4. 28486
4
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.]
L≈350 кДж/кг, µ≈0,08 кг/моль, Т0≈77°С ≈ 350 К.
Тогда при колебаниях температуры на ∆T≈5°С,
получим оценку ∆р≈14,6 кПа. Уже при диаметре
поршня всего в 0,1 м получим усилие F=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/р0 можно взять за числовую
характеристику температурной чувствительности
камеры. В данном примере она составляет
∆р/р0≈0,145.
Чувствительность к колебаниям температуры и
силовая характеристика камеры погодного
компенсатора еще выше. Для нее T0≈-23°С≈250 К.
При прежних значениях остальных параметров
получим следующие числовые данные: ∆р/р0≈0,31;
∆р≈31,3 кПа; F=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 10...20 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.

5. 28486
5
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
+50...+90°С при атмосферном давлении и поршнем,
на штоке которого установлена зубчатая рейка в
направляющей и связанная с зубчатым колесом, ось
которого кинематически сопряжена с запорно-
регулирующим устройством, а погодный
компенсатор выполнен в виде цилиндрической
камеры с легкокипящей жидкостью с температурой
кипения в интервале -25...+8°С при атмосферном
давлении и поршнем, шток которого жестко связана
с теплообменниками исполнительного блока.
Верстка Ж. Жомартбек
Корректор Е. Барч