Способ и устройство для регулирования температуры потока воды, выходящего из теплообменника, и способ повышения надежности системы теплообменника

Изобретение относится к способу и устройству для регулирования температуры по меньшей мере одного вторичного потока во вторичном контуре, выходящего из теплообменника, с помощью первичного потока в первичном контуре, через посредство управляющего элемента, который может подвергаться воздействию с блока управления, при этом элемент регулирует первичный поток. Технический результат: исключение опасности возникновения колебаний температуры на вторичной стороне, которая в районной установке теплоснабжения соответствует контуру горячей водопроводной воды, а также существенное уменьшение опасности обызвествления в теплообменниках, поскольку более быстродействующие системы регулирования с более высокой точностью могут противодействовать температурным пикам выше 60°С. Способ регулирования температуры по меньшей мере одного вторичного потока (2u) во вторичном контуре, выходящего из теплообменника (1), с помощью первичного потока (3) в первичном контуре посредством регулирующего элемента (5, 11), который регулирует первичный поток под воздействием блока (7) управления. Определяют разность (Δh) энтальпий первичного потока (3i), входящего в теплообменник (1), и первичного потока (3u), выходящего из теплообменника (1). Измеряют вторичный поток (2i). Измеряют поток (3i) в первичном контуре и определенные выше параметры подают в блок (7) управления для управления регулирующим элементом (5, 11), в результате чего первичный поток (3) регулируется в зависимости от вторичного потока (2), так что мощность, подводимая к теплообменнику посредством первичного потока (3), по существу равна сумме отчасти мощности, необходимой для повышения температуры вторичной среды от текущей начальной температуры Т_{втор_вх} до заданной выходной температуры Т_{втор_вых_заданная}, и отчасти предполагаемой мощности, требуемой для компенсации энергии, запасенной в теплообменнике (1), и отчасти предполагаемой мощности утечки из теплообменника (1). Также описаны устройство для регулирования температуры воды и способ повышения надежности системы теплообменника. 3 н. и 10 з.п. ф-лы, 6 ил.

 

Настоящее изобретение относится к способу и устройству для регулирования температуры по меньшей мере одного вторичного потока во вторичном контуре, выходящего из теплообменника, с помощью первичного потока в первичном контуре, через посредство управляющего элемента, который может подвергаться воздействию с блока управления, при этом элемент регулирует первичный поток. Изобретение также относится к способу для измерения отдаваемой мощности и количества теплоты.

Во время подачи горячей водопроводной воды из районной установки теплоснабжения первичный поток централизованно нагретой воды подводят в теплообменник, тогда как вторичный поток горячей водопроводной воды нагревают в теплообменнике до постоянной температуры потребления. В районной установке теплоснабжения поддержание постоянной температуры потребления обеспечивается посредством автоматических механических или электронных управляющих устройств, которые регулируют температуру путем коррекции разности между заданной и фактической выходной температурами на вторичной стороне с использованием обратной связи по замеру температуры на вторичной стороне. Когда же используют электронные управляющие устройства, то обычно применяют пропорционально-интегральные или пропорционально-интегральные дифференциальные регуляторы, которые в зависимости от текущей выходной температуры на вторичной стороне регулируют расход на первичной стороне путем закрывания или открывания клапана на первичной стороне. Следовательно, чтобы получить заданную выходную температуру горячей водопроводной воды, тепловым эффектом управляют на первичной стороне.

Как механические, так и электронные устройства имеют недостатки, поскольку регулирование осуществляется не столь быстро, как хотелось бы, в результате чего может возникнуть задержка до того, как на вторичной стороне будет достигнута скорректированная температура. Это влечет за собой запаздывание достижения правильной температуры в месте нахождения кранов вторичной стороны и в самом плохом случае опасность ошпаривания.

Другой недостаток заключается в том, что при регулировании легко возникают колебания, поскольку на практике невозможно оптимизировать регулирующее оборудование для всех имеющихся рабочих режимов. Температура трубопроводов и разность давлений в районной системе теплоснабжения, то есть на первичной стороне, изменяется в течение года и на пути трубопровода районной системы теплоснабжения.

Флуктуации давления в районной системе теплоснабжения зависят отчасти от имеющегося расстояния от источника теплоты, отчасти от относительного местоположения пункта централизованного теплоснабжения в системе. Статически программируемые характеристики регуляторов невозможно оптимизировать для всех встречающихся рабочих сценариев, что влечет за собой среди прочего колебания выходной температуры при определенных рабочих режимах. Например, следующие потенциальные недостатки обусловлены колебаниями температуры.

Низкий комфорт в местах расположения кранов при небольшом сглаживающем действии трубопроводной системы, что особенно заметно в отдельных жилых домовладениях.

Повышенное обызвествление теплообменников при достижении температуры выше 60°С. Повышенная амортизация регулирующих элементов.

Вредное охлаждение районной системы теплоснабжения, которое может повлечь за собой большие производственные издержки.

Из патента США №5363905 уже известна система, в которой обратная связь по температуре на вторичной стороне используется для воздействия на регулирующий клапан на первичной стороне. В этом решении корректируется перепад давления на первичной стороне, но не обеспечивается желаемая быстрая коррекция температуры при флуктуациях в потоке горячей водопроводной воды на вторичной стороне. В этом случае используют измерение как падения давления на дросселе в первичном контуре, так и измерение давления на первичной стороне, а также измерение температуры до и после теплообменника на первичной стороне. Такая система будет относительно дорогой, поскольку на первичной стороне необходимы два манометра, и при этом нельзя легко обеспечить быструю регулировку температуры на вторичной стороне при неожиданных изменениях отбираемого на вторичной стороне потока. Регулировочные мероприятия не осуществляются до фактического падения температуры на вторичной стороне, и происходят типичные колебания температуры горячей водопроводной воды.

В патенте ЕР 0526884 раскрыт способ регулирования для термографических принтеров, в котором головка записи поддерживается при постоянной температуре, во-первых, путем регулирования электрической энергии, подводимой к головке принтера, и во-вторых, посредством регулируемого компенсирующего потока охладителя. Температуру термической головки измеряют посредством первого датчика температуры, а температуру отводимой охлаждающей жидкости измеряют посредством второго датчика температуры. При измерении и регулировании расхода охладителя в устройстве вычисляется тепловая мощность, отводимая в потоке охладителя, и измеряется температура входящего, а также и выходящего (нагретого) потока охладителя.

Из другого документа WO 96/17210 уже известно устройство управления для районной установки теплоснабжения, в котором осуществляются измерения температуры и измерение расхода на первичной стороне для обеспечения желаемого регулирования и для вычисления потребляемой энергии с целью выставления счетов потребителю. В этом случае также не измеряют расход на вторичной стороне, а это означает, что в системе, вероятно, возникают колебания температуры выходящей воды на вторичной стороне.

В патенте DE U 129617756 раскрыта система, в которой шунтирующее регулирование осуществляется на первичной стороне с обратной связью на первичной стороне по потоку, выходящему из теплообменника, назад к входящему потоку теплообменника. В данном случае делается предположение о том, что, если температуру потока на первичной стороне, выходящего из теплообменника, поддерживать постоянной, то будет достигаться постоянная температура горячей водопроводной воды на вторичной стороне. Это предположение безусловно влечет за собой существование колебаний температуры на вторичной стороне, поскольку поверхности теплообменника сначала должны охладиться горячей водопроводной водой. Кроме того, система не реагирует быстро на резкие изменения расхода горячей водопроводной воды, поскольку регулировка не осуществляется до тех пор, пока не упадет температура на первичной стороне.

В известном уровне техники не рассматривалась необходимость осуществления быстрого воздействия, когда потребление теплоты на вторичной стороне резко изменяется, то есть когда расход изменяется с приращением. Это означает, что при наличии колебаний системы регулирования часто прекращают работу, поскольку принимается во внимание температура на вторичной стороне. Несмотря на большое число отдельных решений, относящихся к частным проблемам, отсутствует система с характеристиками, обеспечивающими устойчивое функционирование независимо от ее местоположения в районной системе теплоснабжения. В большей части систем, в которых необходимо точно регулировать температуру на вторичной стороне, имеются регулирующие контуры с обратной связью по информации, касающейся текущего значения температуры, посредством чего осуществляется противодействие отклонению измеряемого значения выходной температуры от ее заданного значения. Поэтому действие такой системы зависит от отклонения результирующей выходной температуры. До того, как могут быть приняты контрмеры, такая система должна находиться в состоянии ожидания до тех пор, пока отклонение не сможет быть обнаружено, что влечет за собой временную задержку, когда фактическое заданное потребление тепла изменяется.

Задача изобретения заключается в создании оборудования для быстрого и устойчивого регулирования в теплообменных установках, в которых на первичной стороне могут наблюдаться значительные вариации входных температур и перепада давления, в которых лучшее постоянство температуры горячей водопроводной воды на стороне потребителя, фактически сохранение температуры постоянной, достигается без необходимости обратной связи по значению фактической температуры на вторичной стороне.

Эта задача решена с помощью признаков, указанных в приложенной формуле изобретения.

С помощью этого изобретения исключается опасность возникновения колебаний температуры на вторичной стороне, которая в районной установке теплоснабжения соответствует контуру горячей водопроводной воды. Часто районная установка теплоснабжения имеет также теплообменные контуры для систем отопления и вентиляции, для которых хорошо подходит это изобретение. В системах такого типа динамика изменений нагрузки часто является более медленной.

Независимо от объема потребления изобретение обеспечивает повышенную приспособляемость к нагрузке. Кроме того, существенно уменьшается опасность обызвествления в теплообменниках, поскольку более быстродействующие системы регулирования с более высокой точностью могут противодействовать температурным пикам выше 60°С.

Постоянство температуры горячей водопроводной воды на стороне потребителя основано на нахождении тепловой мощности, необходимой для повышения (в качестве альтернативы при охлаждении для понижения) температуры вторичного потока до заданного значения. Изобретение не основано на динамической коррекции расхождения между заданной и фактической температурами выходящей вторичной среды, что приводит к возможности осуществления регулирования без обратной связи по фактическому значению температуры на вторичной стороне.

В большей части районных систем теплоснабжения использование изобретения также влечет за собой возможность установки системы регулирования без настройки регулировочных параметров, что значительно сокращает время, необходимое для установки и обслуживания/тонкой настройки.

В другом варианте осуществления изобретения способ и устройство могут быть применены в случае изменений на вторичной стороне, касающихся флуктуаций температуры входящей воды, подлежащей нагреванию в теплообменнике. Этот вариант осуществления применим в случае, когда температура входящей холодной воды флуктуирует. (В нормальной ситуации предполагается, что вода большей частью имеет постоянную температуру.) С помощью этого варианта осуществления та же самая система может быть применена в большем числе географических районов, и в случае другого района коррекцию, в основном возможных флуктуаций температуры входящей пресной воды, можно осуществлять путем простых видоизменений.

Кроме того, изобретение можно использовать для измерения передаваемых мощности и количества тепла, например с целью выставления счетов или контроля расхода энергии, и оно также применимо при охлаждении, для чего только изменяют направление теплопередачи.

Ниже изобретение будет описано в виде ряда вариантов осуществления со ссылками на сопровождающие чертежи, на которых:

фиг.1а - схема соединений системы согласно изобретению;

фиг.1b-d - примеры вариантов осуществления системы из фиг.1;

фиг.2 - пример варианта системы с горячей водопроводной водой и с циркуляцией горячей технической воды;

фиг.3 - пример схемы соединений районной установки теплоснабжения, включая функции регулирования горячей водопроводной воды и регулирования воды для отопления, измерения количества теплоты, обнаружения расхождения, предупреждения об опасности, и со средством связи с диспетчерской системой;

фиг.4 - схематичный вид интегрального гидравлического блока для регулирования и измерения первичного потока согласно изобретению, включающего в себя клапанный элемент, дифференциальный манометр, датчик температуры и управляющий элемент, воздействующий на клапанный элемент, которые могут быть встроены в гидравлический блок или в качестве альтернативы размещены в нем;

фиг.5 - разрез интегрального гидравлического блока, выполняющего несколько функций согласно изобретению, предназначенного для теплообменного контура; и

фиг.6 - вид трех теплообменников, при этом каждый соединен с интегральным гидравлическим блоком, взаимосвязанных для взаимного соединения первичного потока, и с тремя отдельными соединениями для вторичных потоков, и с общим блоком управления.

На фиг.1а показана реализация изобретения в районной установке для теплоснабжения потребителя. Установка содержит теплообменник 1, имеющий первичный контур 3 и вторичный контур 2. Первичный поток 3i, входящий в первичный контур 3, образован горячей водой из системы централизованного теплоснабжения, тогда как выходящий первичный поток 3u образован оборотной водой. Вторичный поток 2i вторичного контура 2 образован поступающей пресной водой, нагреваемой в теплообменнике 1, тогда как отводимый вторичный поток 2u образован нагретой, горячей водопроводной водой, подводимой к кранам конечного потребителя или пользователя. В случае, когда температуру входящего вторичного потока 2i нельзя принять известной каким-либо образом (например, вследствие того, что она является постоянной и известной заблаговременно), во входящий поток 2i вводят датчик температуры (на фигурах показанный пунктирными линиями).

Во вторичном контуре 2i-2u установлен расходомер 4, предпочтительно, чтобы он был на стороне ввода, и с расходомера сигналы подаются на блок 7 управления. На первичной стороне во входящем потоке 3i размещен первый датчик 8 температуры, а в обратном потоке 3u размещен второй датчик 9 температуры. Выходные сигналы от этих датчиков передаются на блок 7 управления.

Для регулирования потока 3 на первичной стороне в первичном контуре установлен регулирующий клапан 5, предпочтительно, чтобы он был в обратном потоке 3u, где ниже температура и меньше кавитационные нагрузки на клапан. Степень, а, открывания клапана регулируется управляющим элементом 25, на который, в свою очередь, поступают управляющие сигналы с блока 7 управления.

В показанном варианте осуществления дифференциальный манометр 6 использован для определения расхода в первичном контуре 3i-3u, и этот манометр подключен между впускным и выпускным отверстиями регулирующего клапана 5.

На фиг.1b показан вариант осуществления, аналогичный показанному на фиг.1а, но здесь управляющий элемент, воздействующий на первичный контур, образован насосом 11 с заранее заданной зависимостью потока 3 в нем от частоты вращения и разности давлений на насосе. Разность ΔР давлений на насосе измеряется дифференциальным манометром 6. Блок 7 управления управляет частотой вращения насоса с целью получения заданного первичного потока 3.

Еще один вариант осуществления показан на фиг.1с, где регулирование заданного потока производится путем измерения первичного потока 3 расходомером 12 и путем регулирования степени а открывания клапана с целью получения заданного первичного потока (обратите особое внимание на локальный контур регулирования с обратной связью по фактическому значению расхода).

Вариант осуществления из фиг.1d представляет собой четвертый вариант, в котором измерение потока осуществляется посредством неподвижного дросселирующего элемента 13 и манометра 6 на его концах, предназначенного для измерения разности давлений на дросселирующем элементе.

На фиг.2 показан вариант осуществления, где на первичной стороне поступающая пресная вода 2i состоит из смеси холодной воды и оборотной воды, так называемого циркуляционного потока горячей технической воды. В этом случае достигается изменение температуры входящего вторичного потока 2, при этом для измерения этой температуры Т_{втор_вх} должен быть введен датчик 10 температуры.

На фиг.3 показан вариант осуществления изобретения в районной установке теплоснабжения, на которую возложено выполнение ряда функций. Примеры этих функций включают в себя регулирование горячей водопроводной воды и регулирование воды для отопления, измерение суммарного количества переданной теплоты в соответствующем контуре, а также представление этой информации по линии связи во внешнюю диспетчерскую систему. Предполагается, что функции обнаружения неисправностей в теплообменнике и в других компонентах установки, реализуемые с помощью измеренных в установке значений, и связь с диспетчерским пунктом по линии связи являются частью функций, осуществляемых блоком 7 управления. Предусмотрены датчики для измерения результирующих температур выходящих вторичных потоков с целью осуществления любого контроля и/или предупредительной сигнализации при нарушении функции управления и/или измерения количества теплоты (при этом эти показания датчиков не используются при динамической устойчивости температуры).

Основная теория регулирования

Изобретение основано на том, что отдаваемая/поглощаемая мощность в первичном контуре должна регулироваться относительно текущей заданной, подводимой/отбираемой к/из вторичной среды с целью изменения температуры от текущей температуры входящего вторичного потока до заданной температуры выходящего вторичного потока. Это осуществляют путем регулирования расхода в первичном контуре в зависимости от разности между температурой входящего и выходящего первичных потоков.

В общем случае для первичного и вторичного контуров теплообменников:

где Q' соответствует мощности, передаваемой контуром к теплообменнику, m соответствует массовому расходу в контуре, h(T) соответствует энтальпии среды (энергии на единицу массы) при температуре Т, Т_вых соответствует температуре выходящего потока и Т_вх соответствует температуре входящего потока.

В качестве альтернативы уравнение (А) может быть записано в виде:

где c_р - теплоемкость среды, а ΔТ=Т_вых-Т_вх.

Заданная мощность -Q_{втор_заданная}, подводимая ко вторичной среде для достижения заданной температуры выходящего вторичного потока, определяется уравнением:

где m_втор соответствует массовому расходу во вторичном контуре, h_втор(Т) соответствует энтальпии вторичной среды при температуре Т, Т_{втор_вых_заданная} соответствует заданной температуре выходящего вторичного потока и Т_{втор_вх} соответствует текущей температуре входящего вторичного потока.

В течение теплообмена существует энергетический баланс, при котором сумма мощностей, подводимых к теплообменнику через первичную сторону Q'_перв, через вторичную сторону Q'_втор и вследствие любой утечки Q'_утечки теплообменника равна возрастанию энергии, запасенной в теплообменнике за единицу времени, Q_vx, то есть:

В изобретении предусмотрено регулирование мощности, отдаваемой с первичной стороны, Q'_перв, так что

Если действие утечки является пренебрежимо малым, Q'_утечки также полагают равным нулю, что дает:

Во время изменений нагрузки возможно будет уместно принимать во внимание Q'_vx, которым определяется динамический эффект изменений энергии, запасенной в теплообменнике. Например, система может управляться посредством регулирующего клапана с относительно низкой скоростью регулировки. Это будет, например, в случае быстрого снижения нагрузки, что означает более высокую подачу энергии первичным контуром по сравнению с требуемой до тех пор, пока управляющий элемент не придет к нужному положению. Подводимая "излишняя энергия" частично запасается в теплообменнике и будет вызывать временное повышение температуры выходящего вторичного потока. Это повышение температуры может быть минимизировано путем регулирования, которое компенсирует избыточную энергию в теплообменнике путем временного снижения подводимой первичной мощности до тех пор, пока избыточная энергия не будет отобрана вторичным потоком.

В стационарном состоянии энергия, запасаемая в теплообменнике, не изменяется, то есть Q'_vx=0, и введение этого значения в уравнение (В3) дает:

Введение уравнения (А) для первичной стороны и (А3) в уравнение (В4) дает:

Извлечением m_{перв_заданный} из уравнения (С) получим основной принцип управления согласно изобретению в виде:

Этот основной принцип управления можно оценить различным образом и с разной степенью приближенных упрощений, некоторые из которых показаны ниже. Часто расходы определяют в виде объемных расходов, и поэтому необходимо пересчитать уравнение (D) для объемных расходов. Для массового расхода, m:

где: q - объемный расход, а ρ - плотность.

Поскольку ρ зависит от температуры, то часто необходимо учитывать температуру, при которой определяется объемный расход. Предположим, что объемный q_втор на вторичной стороне определяется на входе и что заданный q_{перв_заданный} на первичной стороне задается на выходе. После введения уравнения (Е) в уравнение (D) результирующее уравнение можно решить относительно q_{перв_заданный}:

При задании объемного расхода где-либо еще уравнение (Е) должно применяться при температуре среды в месте измерения объемного расхода. Для энтальпии h(T):

где: с_р - теплоемкость (энергия на единицу массу и на один градус).

Введение уравнения (G) в уравнение (F) дает:

где: ΔТ_{втор_заданная}=Т_{втор_вых_заданная}-Т_{втор_вх}, а

ΔТ_перв=Т_{перв_вх}-Т_{перв_вых}.

При использовании одной и той же среды в первичном и вторичном контурах и в пренебрежении температурной зависимостью ρ и с_р (ρ_втор=ρ_перв; с_р(втор)=с_р(перв)) уравнение (F2) можно преобразовать до:

Поэтому изобретение можно оценить несколькими более или менее приближенными способами (например, с помощью регулирования согласно уравнению D, F, F2 или F3). Общим для них является то, что они основаны на массиве параметров, характеристики разности (Δh) энтальпий первичного потока (3i), входящего в теплообменник (1), и вторичного потока (3u), выходящего из теплообменника (1), например, на ряде точек функции h(T) для первичной среды в температурном диапазоне, типичном для области применения, и Т_{перв_вых}, Т_{перв_вх}. Примером альтернативного характеристического массива параметров вместо указанной разности энтальпий является образованный теплоемкостью с_р первичной среды в температурном диапазоне, который имеет отношение к области применения, и разность ΔТ_перв температур.

Согласно изобретению аналогичным образом можно использовать другие характеристические массивы параметров вместо массового расхода (m_втор) во вторичном контуре (2) и массового расхода (m_перв) в первичном контуре.

Конструкция регулирующего клапана

Конструкции клапана 5 могут быть различными, при этом для конкретной конструкции должны быть известны характеристики расхода. Примеры клапанов включают в себя седельный, золотниковый, шаровой и тарельчатый клапаны. При использовании золотникового клапана, который при открывании/закрывании приводится в действие регулировочным винтом, величина отверстия клапана по существу пропорциональна ходу.

В зависимости от текущего перепада ΔР_{клапана} давления на клапане, расхода q_{клапана} через клапан и степени а открывания клапана для клапана каждого типа можно определить характеристику k_v(а). Поэтому расход через клапан определяется соотношением:

из которого может быть найдено:

и

где: f_cv(х) - обратная функция k_v(х).

Функция управления клапаном с измерением перепада давления

Во время использования клапана положением клапана управляют с тем, чтобы добиться скорректированного расхода. Для клапана каждого типа можно эмпирически определить достигаемый расход на основе текущего положения клапана и перепада давления на клапане.

Положение клапана, а, необходимое для регулирования, можно выразить в зависимости от измеренного расхода во вторичном контуре, измеренной разности температур на первичной стороне, измеренного перепада давления на регулирующем клапане и заданной разности температур во вторичном контуре.

Для каждого заданного расхода в первичном контуре регулировка положения клапана может быть осуществлена согласно уравнению:

на основании которого после введения уравнения (F) в уравнение (J2) получается выражение для принципа управления согласно изобретению:

или после введения (F3) в (J2):

поскольку один и тот же теплоноситель используется на первичной и вторичной сторонах и поскольку температурная зависимость ρ и с_р является пренебрежимо малой. Для каждого клапана можно эмпирически определить текущие обратные характеристики расхода f_cv(х) (и/или характеристики расхода k_v(х)).

Предполагается, что определение перепада давления ΔР_{клапана} может быть выполнено произвольным способом, например, посредством дифференциального манометра, подключенного выше по потоку и ниже по потоку от клапана, или посредством первого абсолютного манометра для измерения давления Р1 выше по потоку от клапана и другого абсолютного манометра для измерения давления Р2 ниже по потоку от клапана.

Измерение мощности и количества теплоты

Основываясь на уравнении (А), измерение подводимой мощности и количества теплоты можно осуществлять на первичной стороне и/или на вторичной стороне теплообменника. После вставления в уравнение (А) уравнений (Н) и (Е), примененных к среде в клапане, получаем:

где: Т_{перв_клапана} - температура первичной среды в клапане.

Если клапан помещен в первичном потоке (3u), выходящем из теплообменника, то Т_{перв_клапана}≅Т_{перв_вых}, и соответственно, если он помещен в первичном потоке (3i), входящем в теплообменник, то Т_{перв_клапана}≅Т_{перв_вх}.

После вставления уравнения (G) в уравнение (L) получается альтернативное уравнение:

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления мощность, подводимая на первичной стороне, находится отчасти путем определения температур Т_{перв_вх}, Т_{перв_вых} и перепада давления ΔР_{клапана} на регулирующем клапане, помещенном ниже по потоку от выпускного отверстия первичной стороны; а отчасти с помощью сведения о характеристиках k_v(а) и степени а открытия клапана, и плотности и энтальпии первичной среды, значения которых используют для вычисления Q'_перв в соответствии с уравнением (L), в качестве альтернативы в соответствии с (L2).

Путем интегрирования мощности, отдаваемой в течение интервала времени t1-t2, получаем количество теплоты, поставляемой первичным контуром в течение этого интервала:

Уравнение (L), вставленное в уравнение (М), дает:

Интегрирование можно осуществлять, например, путем определения и суммирования одной за другой парциальных энергий, при этом энергии задают как произведения периодических средних значений мощности и соответствующих интервалов времени для образования среднего значения Δt_i:

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения отдаваемую мощность и количество тепла определяют также на вторичной стороне. В этом случае определение основано на температурах Т_{втор_вх} и Т_{втор_вых} (измеряемой четвертым датчиком температуры) и значении расхода q_втор (измеряемого датчиком расхода или определяемого иным путем, например, по известным характеристикам насоса с регулируемой частотой вращения) и уравнению (А).

В предположении установившегося состояния и пренебрежимо малой утечки теплоты из теплообменника значение отдаваемой мощности и количество теплоты на первичной стороне образуют первый показатель, а значение отдаваемой мощности и количество теплоты на вторичной стороне образуют второй показатель мощности Q' и количества Q теплоты, которые передаются в теплообменнике. Можно использовать тот или другой из этих двух независимо определенных показателей отдаваемой мощности и количества теплоты, например, для выставления счетов или контроля расхода энергии.

Путем сравнения этих двух независимо определенных показателей надежность системы может быть повышена. Например, избыточные значения Q' можно использовать для получения предупредительного сигнала о том, что показатели не являются достоверными, если указанные показатели отличаются один от другого больше, чем на допустимое значение, например на ±10% или предпочтительно на ±2% более высокого значения.

Второй областью применения может быть переключение любым способом системы в режим резервирования на основе определения Q' при условии, что погрешность измерительного сигнала, который включен в определение Q' в соответствии с другим способом, находится другим независимым способом. Пример: если определено, например, путем проверки на непротиворечивость, что датчик температуры на первичной стороне испорчен, то можно определить резервное значение для испортившегося датчика путем использования значения Q', определенного на вторичной стороне. Аналогичным образом могут быть вычислены резервные значения для любого датчика, ошибка которого обнаружена независимым способом.

Третьим применением может быть самокалибровка датчика или, например, использование тем же самым способом характеристик клапана для вычисления резервных значений в случае отказа датчика.

Интегральные клапанные узлы

Чтобы упростить изготовление и сборку систем согласно изобретению, в предпочтительном варианте осуществления несколько функций могут быть совместно осуществлены в интегральном клапанном узле, который может быть изготовлен как полуфабрикат для последующего встраивания с образованием завершенной системы. На фиг.4 схематично показан интегральный гидравлический блок, предназначенный для регулирования и измерения первичного потока согласно изобретению, включающий в себя клапанный элемент, дифференциальный манометр и датчик температуры, а также управляющий элемент, воздействующий на клапанный элемент, который может быть встроен в гидравлический блок или в качестве варианта установлен в нем. Этот гидравлический блок можно выгодно использовать для регулирования первичного потока и измерения перепада давления на клапанных элементах и температуры первичного потока на клапане.

Несколько функций/компонентов могут быть приданы гидравлическому блоку 40, показанному на фиг.5, содержащему первый канал 56 между муфтами 41 и 42 для труб, предназначенными для присоединения соответственно к системе централизованного теплоснабжения и к теплообменнику, и отводные трубы 43 и 44 к любым соседним дополнительным гидравлическим блокам; см. фиг.6.

В канале 56 размещен клапанный элемент 53, который управляется посредством управляющего элемента 54. Манометры 61 и 62 установлены по обеим сторонам от клапанного элемента 53 с целью измерения разности давлений выше по потоку и ниже по потоку от клапанного элемента. В канале 56 также размещены датчики 8 для измерения температуры среды в канале 56. В гидравлическом блоке 40 выполнен второй канал 57, и этот канал через посредство муфт 45 и 46 для труб может быть соединен соответственно с входящей средой районной системы теплоснабжения и с теплообменником. Отводные трубы 47, 48 от второго канала 57 могут быть использованы для присоединения к соседним дополнительным гидравлическим блокам. В другом канале 57 также размещены датчики 9 для измерения температуры среды в этом канале. Частью гидравлического блока 40 также являются третий и четвертый каналы 58 и 59 с муфтами 49 и 51 для труб, предназначенными для присоединения к потребителю тепла/холода, и муфты 50 и 52 для труб к теплообменнику. Для измерения температуры среды в каналах 58 и 59 в соответствующих каналах размещены датчики 55 и 10. Чтобы определить расход среды в канале 59, предусмотрен манометр 70. Предусмотрены контактные элементы (непоказанные) для подключения линий связи к и от гидравлического блока 40, по которым передаются данные измерений и/или управляющие сигналы.

Интегральный гидравлический блок из фиг.4 может быть с достижением преимущества изготовлен в виде полуфабриката для последующего встраивания с образованием завершенной системы, например, показанной на фиг.6. Использование гидравлических блоков обеспечивает потенциальные преимущества в дополнение к уже упомянутым вследствие значительного упрощения размещения и присоединения первичного и вторичного контуров.

В большей части типовых вариантов осуществления температура вторичного потока 2, выходящего из теплообменника 1, является постоянной, например, 55°С. Конечно, можно вручную или автоматически устанавливать заданное значение. Например, заданное значение можно устанавливать с помощью потенциометра в блоке 7 управления. Определенную ручную регулировку можно производить в зависимости от пожеланий потребителей горячей воды или осуществлять ее в зависимости от текущего сезона года. Например, в течение зимы может требоваться более нагретая горячая водопроводная вода, чтобы компенсировать потери теплоты между теплообменником и большей частью удаленных пользователей. Коррекцию зависящей от сезона температуры выходящего потока на вторичной стороне можно также осуществлять автоматически посредством блока управления в соответствии с заранее определенной кривой компенсации и/или сигналами от внешнего датчика температуры.

В одном применении изобретения в системе, в которой теплообменник нагревает отопительный контур, соответствующая коррекция в большинстве случаев необходима в зависимости от температуры наружного воздуха, как и коррекция температуры входящего вторичного потока. В этом варианте осуществления нет необходимости в непосредственной обратной связи по температуре выходящего потока на первичной стороне.

Управляющие элементы для регулирующего клапана могут быть нескольких различных типов, и на каждый поступает управляющий сигнал, соответствующий используемому управляющему элементу. Например, могут быть использованы клапаны с серводвигателем, управляемым с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ), или с регулированием расхода пропорционально управляющему току или напряжению.

Способ в соответствии с предлагаемым изобретением можно выгодно сочетать с обнаружением неисправностей в теплообменнике. В тех вариантах осуществления, в которых измеряется перепад давления на клапане, начальное засорение на первичной стороне (обусловленное отложениями кальция, грязи и т.д.) может быть обнаружено путем анализа падения давления со временем при заданной степени открывания клапана. Во время начального засорения падение давления на регулирующем клапане уменьшается при постоянном расходе, поскольку постоянно возрастающее падение давления будет демпфироваться теплообменником. Обнаружение неисправностей можно также осуществлять по оценке теплопередачи теплообменника. Например, можно применить следующий способ: все измеренные сигналы (по меньшей мере разность температур в первичном контуре, первичный поток, вторичный поток и заданную разность температур на вторичной стороне) сохраняют для ряда различных режимов нагрузки (передаваемой мощности) и режимов системы (температуры и давления входящего первичного потока). При засорении теплообменника характеристики теплопередачи ухудшаются, что влечет за собой необходимость в увеличении первичных потоков.

Требуемая разность ΔТ_перв температур может быть вычислена на основе Т_{перв_вх} и Т_{перв_вых} или путем непосредственного измерения разности температур, например, термоэлементом.

Поскольку в системе производится измерение как расхода, так и разности температур, то можно легко осуществлять вычисление потребленного количества теплоты для выставления счета конечному потребителю.

Кроме того, система хорошо приспособлена для снятия показаний (вычисления теплопередачи), обнаружения неисправностей (засорения), регулирования климата (с централизованной установкой заданных значений) и возможного прекращения функционирования. Для линии связи необходим только один интерфейс, и этот интерфейс подключают к блоку управления или регулирования.

Изобретение не ограничено применением в районных установках теплоснабжения; его можно использовать во всех областях, где теплообменники являются составной частью, например, в нефтехимической промышленности или в системах регулирования нагрева других видов.

1. Способ регулирования температуры по меньшей мере одного выходящего вторичного потока (2u) во вторичном контуре из теплообменника (1), посредством первичного потока (3) в первичном контуре, при этом блок (7) управления управляет регулирующим элементом (5, 11), который регулирует первичный поток, а температура Т_{втор. вх} выходящего вторичного потока является известной или подлежащей измерению, отличающийся тем, что

a) определяют массив параметров, характеристику разности (Δh) энтальпий входящего первичного потока (3i) в теплообменник (1) и выходящего первичного потока (3u) из теплообменника (1),

b) определяют массив параметров, характеристику массового расхода (m_втор) во вторичном контуре (2),

c) определяют массив параметров, характеристику массового расхода (m_перв) в первичном контуре (3),

d) и тем, что параметры, определенные в пунктах с а) по с), передают в блок (7) управления для управления регулирующим элементом (5, 11), в результате чего первичный поток (3) регулируется в зависимости от вторичного потока (2) так, что мощность, передаваемая в теплообменник первичным потоком (3), по существу, соответствует сумме:

1) мощности, необходимой для повышения температуры вторичной среды от текущей входной температуры Т_{втор. вх} до заданной выходной Температуры Т_{втор. вых. заданная}, и

2) предполагаемой мощности, требующейся для компенсации запасенной энергии в теплообменнике (1), и

3) предполагаемой мощности утечки из теплообменника.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что управление регулирующим элементом производят путем согласования расходов первичного потока (3) против вторичного потока (2) так, чтобы сохранялся энергетический баланс между первичным потоком (3) и вторичным потоком, при этом подводимая и потребляемая мощность в соответствующем контуре с потоком имеет вид:

Q=ρ·с_p·q·ΔT, из которого получают энергетический баланс, и этого расхода q_перв на первичной стороне достигают путем управления управляющим элементом так, чтобы:

ρ_{втор/перв} - заранее определенная плотность среды соответственно во вторичном и в первичном контуре,

с_{p(втор/перв)} - заранее определенная удельная теплоемкость среды соответственно во вторичном и в первичном контуре,

Q_перв - поток в первичном контуре, полученный в результате действия управляющего элемента,

q_втор - фактический измеренный расход во вторичном контуре,

ΔТ_перв - фактическая измеренная разность температур между входящей и выходящей средами на первичной стороне, и

ΔT_втор - желаемая разность температур между входящей и выходящей средами вторичной стороны, при этом только температура на стороне выхода вторичного контура является заданным значением, в результате чего управление регулирующим элементом осуществляется без непосредственной обратной связи по температуре на стороне выхода вторичного контура.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что регулирующий элемент (5) представлен регулирующим клапаном с известной характеристикой расхода и разностью давлений (падением давления) на регулирующем клапане, измеряемой дифференциальным манометром (6).

4. Способ по п.3, отличающийся тем, что степень (а) открывания клапана является функцией предпочтительно эмпирически определенных обратных характеристик расхода клапана f_cv(x) в соответствии с:

где ΔР_{клапана} - измеренный перепад давления на регулирующем клапане, q_{перв. заданный} - расход через клапан и а - степень открывания клапана.

5. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что регулирующий элемент представлен насосом (11) с заранее заданной зависимостью между расходом через него как функции частоты вращения и перепадом давления на насосе, в результате чего блок (7) управления регулирует частоту вращения насоса.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что измеряют температуру (Т_{втор. вх}) входящего вторичного потока (2i) в теплообменник (1), и это измеренное значение используют для вычисления q_{перв. заданный}.

7. Устройство для регулирования температуры по меньшей мере одного выходящего вторичного потока (2) из теплообменника (1) во вторичном контуре посредством первичного потока (3) в первичном контуре, проходящего через теплообменник, при этом блок (7) управления управляет регулирующим элементом (5, 11), установленным для регулирования первичного потока, отличающееся тем, что устанавливают датчики (8, 9) температуры для измерения температуры первичных потоков, входящих в (3i) и выходящих из (3u) теплообменника (1), для определения разности энтальпий этих потоков, устанавливают расходомер (4) для измерения расхода (q_втор) вторичной среды (2), устанавливают дифференциальные манометры (6) для измерения разности (ΔР) давлений в первичной среде (3i) на регулирующем элементе (5), и/или тем, что устанавливают расходомер (12) для измерения расхода (q_перв) первичной среды (3), и тем, что организуют передачу выходных сигналов от указанных датчиков (4, 8, 9, 12) к блоку (7) управления для управления регулирующим элементом (5, 11), в результате чего обеспечивается возможность регулирования первичного потока (3) в зависимости от вторичного потока (2), так что мощность, передаваемая между теплообменником и первичным потоком (3), по существу соответствует сумме:

1) мощности, необходимой для повышения температуры вторичной среды от текущей входной температуры Т_{втор. вх} до заданной выходной температуры Т_{втор. вых. заданная}, и

2) предполагаемой мощности, требующейся для компенсации запасенной энергии в теплообменнике (1), и

3) предполагаемой мощности утечки из теплообменника.

8. Устройство по п.7, отличающееся тем, что регулирующий элемент (5) представлен регулирующим клапаном с известными характеристиками расхода, дифференциальным манометром (6), установленным для измерения разности давлений на клапане, и известными характеристиками расхода для клапана (5), запомненными в запоминающем устройстве блока (7) управления.

9. Устройство по п.7, отличающееся тем, что регулирующий элемент представлен насосом (11) с заранее заданной зависимостью между расходом через него как функции частоты вращения и перепадом давления на насосе, в результате чего блок (7) управления обеспечивает регулировку частоты вращения насоса.

10. Устройство по п.7, отличающееся тем, что клапан (5) встроен в гидравлический блок (20), содержащий клапанный элемент (24) с управляющим элементом (25), воздействующим на него, муфты (22, 23) для труб, соединенные с клапаном (5), устройство (6) для определения перепада давления на клапанном элементе, которое присоединено выше по потоку и ниже по потоку от клапанного элемента (24), датчик (8) температуры, определяющий температуру потока через клапан.

11. Устройство по любому из пп.7-10, отличающееся тем, что блок (7) управления содержит по меньшей мере одно запоминающее устройство (30) для хранения степени (а) открывания клапана (5) как функции расхода q_втор вторичного контура (2), разности ΔТ_втор температур во вторичном контуре (2), разности ΔТ_перв температур в первичном контуре (3) и перепада ΔР_{клапана} давления на клапане (5).

12. Устройство по п.7, отличающееся тем, что в гидравлическом блоке выполнены каналы (56-59) для проводящей среды (3i, 3u, 2i, 2u) в и из теплообменника (1), тем, что эти каналы на концах снабжены муфтами (41, 42, 45, 46, 49, 50, 51, 52) для труб для соединения с первичным и вторичным потоками (3, 2), тем, что поперечные каналы (43, 44, 47, 48) отведены от по меньшей мере некоторых из этих каналов, при этом поперечные каналы на концах подобным образом снабжены муфтами для труб для присоединения соединительных труб между несколькими соединенными гидравлическими блоками, и тем, что в гидравлическом блоке расположены участки каналов для датчиков (8, 9, 10, 55, 61, 62) расхода, перепада давления и температуры, находящихся в сообщении с каналами и по меньшей мере одним регулирующим клапаном.

13. Способ повышения надежности системы теплообменника (1), содержащего по меньшей мере один вторичный поток (2) во вторичном контуре и первичный поток (3), при этом блок (7) управления управляет регулирующим элементом (5, 11), который регулирует первичный поток (3), по которому определяют разность (Δh) энтальпий первичного потока, входящего в (3i) и выходящего из (3u) теплообменника (1), определяют разность давлений (ΔР_{регулирующего элемента}) на и температуру (Т_среды) В регулирующем элементе (5, 11) с известными характеристиками расхода, запомненными в запоминающем устройстве блока (7) управления, сохраняют плотность первичной среды в запоминающем устройстве блока (7) управления, регистрируют разность (Δh) энтальпий, разность давлений (ΔР_{регулирующего элемента}), температуру (Т_среды) и степень (а) открывания регулирующего элемента, и эти параметры совместно с характеристиками расхода и плотностью сохраняют в запоминающем устройстве блока управления, обеспечивают измерение мощности и количества теплоты, отдаваемых первичным контуром, отличающийся тем, что одновременно сличают полученные измерения мощности и количества теплоты, отдаваемых первичным контуром, с истинными значениями мощности и количества теплоты, поглощаемых вторичным контуром, которые вычисляют на основании показателей разности (Δh_втор) энтальпий входящего и выходящего вторичных потоков и вторичного расхода m_втор, которые хранятся или определяются в блоке управления, в результате чего в окружающую среду посредством средства связи выдается сигнал тревоги в случае, если значения мощности и количества теплоты, отдаваемых и поглощаемых соответственно первичным и вторичным контуром, отклоняются одно от другого больше, чем на заранее заданное допустимое значение.