ГИДРАВЛИЧЕСКОЕ РЕГУЛИРУЮЩЕЕ УСТРОЙСТВО Российский патент 2005 года по МПК G05D7/01 G05D23/13 

Предлагаемое изобретение относится к области автоматического регулирования расходов тепла или холодоносителей в различных теплотехнических системах.

Оно может быть использовано для регулирования температурных или расходных параметров теплоносителей путем смешения потоков рабочей жидкости, преимущественно для централизованных или индивидуальных систем отопления, в том числе и в качестве замены отопительных элеваторов при обеспечении принудительной циркуляции теплоносителя в отапливаемых зданиях. Кроме того, оно может быть использовано для поддержания температурных режимов тепловых двигателей или холодильных машин путем разделения потока рабочей жидкости (холодоносителя), когда поток полностью или частично пропускается через холодильник.

Предлагаемое регулирующее устройство может работать с различными маломощными приводами управляющего клапана, электрическим, пневматическим или гидравлическим, в том числе, и с маломощной манометрической термосистемой. В целях обеспечения программируемых режимов работы каждый из этих приводов может быть снабжен электронным программируемым блоком управления.

Известны близкие по техническому решению регулирующие устройства различных конструкций, использующие силы неуравновешенности регулирующего органа в потоке рабочей жидкости от действия одностороннего давления и преобразования их в полезные перестановочные усилия (см., например, устройства по авт. свид. СССР N 1043603 и 1462258 по МПК G 05 D 7/01 или авт. свид. СССР №1476331, МПК G 01 К 17/10).

Хотя общий принцип, заложенный во все указанные разработки сохранен, конструктивные их решения не позволяют построить трехходовые смесительные или разделительные регулирующие устройства.

В качестве аналога предлагаемого изобретения принято гидравлическое регулирующее устройство, описанное в патенте RU 2131140 C1, 6 G 05 D 16/06, 7/01, содержащее корпус с патрубками входа и выхода рабочей жидкости, управляющий клапан с рабочей камерой и управляющими каналами, сильфонный регулирующий орган с сильфоном, подвижный торец которого закрыт регулирующим клапаном с осевым отверстием, в котором размещена с кольцевым зазором направляющая ось с выполненными на ней наклонными пазами или лысками, и посадочное седло. В дальнейшем, упомянутые выше наклонные пазы или лыски именуются профилированными пазами\ функционально сходными с наклонными пазами или лысками.

Данное регулирующее устройство способно работать с маломощными управляющими приводами, но не позволяет на его базе строить более сложные регулирующие устройства, предназначенные работать в системах автоматического регулирования более высокого уровня, например выполнять функции трехходовых регуляторов для смешения или разделения теплоносителя. Этот недостаток обусловлен тем, что корпус выполнен с двумя патрубками, направляющая ось закреплена на конце регулирующего органа, а регулирующий орган имеет неразделенную внутреннюю полость.

Техническим результатом предлагаемого изобретения является более широкое использование его возможностей, расширение области применения и повышение надежности регулирующего устройства.

Технический результат достигается тем, что в отличие от аналога, предлагаемое гидравлическое регулирующее устройство содержит корпус с тремя патрубками, один из которых смонтирован перпендикулярно к снабженным посадочными седлами двум другим патрубкам, предназначенным для входа и выхода рабочей жидкости, и размещенные в корпусе управляющий клапан с приводом, рабочей камерой и управляющими каналами, выполненный с возможностью поочередного перекрытия управляющих каналов. Соосно патрубкам для входа и выхода рабочей жидкости установлены направляющая ось и сильфонный регулирующий орган, имеющий жестко связанную с корпусом разделительную перегородку и два подвижных рабочих торца, соединенных между собой при помощи защитного кожуха, и закрытых регулирующими клапанами с осевыми отверстиями. Направляющая ось закреплена своей средней частью в разделительной перегородке, а свободными концами с профилированными пазами размещена в осевых отверстиях клапанов, при этом разделительная перегородка делит внутреннюю полость сильфонного регулирующего органа на две самостоятельные полости, каждая из которых сообщена управляющим каналом с рабочей камерой, и, далее, с внутренней полостью корпуса и патрубком, соответственно, входа или выхода рабочей жидкости.

В связи с этим, предлагаемое гидравлическое регулирующее устройство приобретает свойства трехходового регулирующего устройства. Сохраняя положительные свойства аналога, а именно простоту конструкции и способность работать в паре с маломощными приводами, оно может быть использовано для регулирования температурных или расходных параметров теплоносителей путем смещения потоков рабочей жидкости для централизованных или индивидуальных систем отопления, а так же для поддержания температурных режимов тепловых двигателей или холодильных машин путем разделения потока рабочей жидкости (холодоносителя).

На фиг.1 схематически изображен осевой разрез предлагаемого трехходового смесительного регулирующего устройства, на фиг.2 - осевой разрез трехходового разделительного устройства.

Смесительное регулирующее устройство по фиг.1 включает в себя корпус 1 с двумя входными патрубками 2 и 3 для подсоединения к подающему \П\ и обратному \О\ трубопроводам и одного выходного патрубка \4\ для смешанной воды \С\, идущей непосредственно в систему отопления. В корпусе размещены управляющий клапан 5 с рабочей камерой 6, направляющая ось 7, посадочные седла 8 и 9, управляющие каналы 10 и 11, регулирующий орган, состоящий из сильфона 12, внутренняя полость которого разделена жестко связанной с корпусом 1 перегородкой 13, делящей внутреннюю полость сильфона на две равнозначные половины 14 и 15, каждая из которых сообщена управляющими каналами 10 и 11 с рабочей камерой 6 управляющего клапана 5, выполненного с возможностью осевого перемещения для поочередного перекрытия управляющих каналов 10 и 11. Рабочая камера 6 соединена с внутренней полостью корпуса каналом 16, выходящим в сторону патрубка 4 для смешанной воды \С\.

Входные патрубки 2 и 3 расположены соосно с направляющей осью 7 и сильфоном 12.

Сильфон 12 имеет два подвижных торца 17 и 18, выполняющих роль регулирующих клапанов 19 и 20, соединенных между собой защитным кожухом 21, обеспечивающим возможность синхронного перемещения клапанов 19 и 20 вправо и влево на величину их полного хода. Направляющая ось 7 неподвижно закреплена своей средней частью в перегородке 13, а на ее обоих концах, размещенных в подвижных регулирующих клапанах с кольцевыми зазорами 22, выполнены профилированные пазы или лыски 23 и 24.

Привод управляющего клапана 5 выполнен в виде маломощной манометрической термосистемы 25, чувствительным элементом которой является термобаллон 26.

Трехходовое смесительное регулирующее устройство работает следующим образом.

При подаче рабочей жидкости в горизонтальные входные каналы устройства, предназначенного работать в системах теплоснабжения, в патрубок \П\ подается горячий теплоноситель, а в патрубок \О\ - остывший теплоноситель из обратного трубопровода системы регулирования. Положение управляющего клапана 5, при полностью перекрытом управляющем канале 11, как показано на фиг.1, соответствует пониженной регулируемой температуре смешанного теплоносителя, выходящего из патрубка \С\, в котором установлен термобаллон 26.

Под действием скоростного напора через кольцевые зазоры 22, а также через профилированные пазы 23 и 24 на оси 7 рабочая жидкость поступает в правую и левую полость 14 и 15 сильфонного регулирующего органа 12. При этом, управляющий канал 10 правой полости полностью открыт и рабочая жидкость из правой полости, не испытывая сопротивления управляющего клапана 5, сливается по каналу 16 во внутреннюю полость корпуса 1 и далее в выходной канал \С\. Статическое давление рабочей жидкости в правой внутренней полости сильфона 12 при этом не повысится и будет меньше, чем давление в патрубке \П\ за счет дросселирования его зазором 22. Под действием усилия от скоростного напора, действующего на наружную поверхность 17 торцевого клапана 19, он будет стремиться переместиться влево и полностью открыть проходное сечение патрубка \П\ и одновременно, передавая осевое усилие через защитный кожух 21 на клапан 20, закрыть проходное сечение патрубка \О\.

Одновременно с работой правой половины сильфонного регулирующего органа 12 включается в работу и его левая половина. Под действием скоростного напора теплоносителя из патрубка \О\ на тарелку клапана 20, через кольцевой зазор 22 и профилированный паз 24 рабочая жидкость поступает в левую внутреннюю полость сильфона 12. Как видно из фиг.1, управляющий клапан 5 полностью перекрывает управляющий канал 11, поэтому внутри левой рабочей полости регулирующего органа статическое давление будет повышаться до величины давления рабочей жидкости в обратном трубопроводе и патрубке \О\.

Поскольку эффективная площадь сильфона 12 больше площади проходного сечения седла 9, то осевое усилие, действующее на левую тарелку клапана 20 в сторону его закрытия будет больше, чем усилие, действующее со стороны входного патрубка \О\ на его открытие. Клапан 20 будет закрываться, перекрывая проходное сечение канала \О\ и одновременно, благодаря наличию жесткой связи с правой тарелкой клапана, будет полностью открывать проходное сечение патрубка \П\. Таким образом, при закрытом управляющем канале 11 сильфонный регулирующий орган 12 будет открывать проходное сечение патрубка \П\, пропуская расход теплоносителя из патрубка \П\ в патрубок \С\ и закрывать патрубок \О\, прекращая подачу теплоносителя из патрубка \О\ в патрубок \С\.

Жесткое соединение регулирующих клапанов на обоих торцах сильфона при помощи защитного кожуха 21 синхронизирует их перемещения и удваивает перестановочные усилия.

При повышении регулируемой температуры выше заданной, теплочувствительная жидкость в термобаллоне 26, увеличивая свой объем, сжимает сильфон в термосистеме 25. Шток перестановки термосистемы перемещает управляющий клапан 5 вниз. Он перекрывает управляющий канал 10, открывая при этом управляющий канал 11.

Работа регулирующего устройства в этом случае будет происходить аналогично предыдущему случаю, с той лишь разницей, что сильфонный регулирующий орган 12 будет перемещать свои торцы с закрепленными на них регулирующими клапанами 19 и 20 вправо, перекрывая проходное сечение патрубка \П\ и открывая проходное сечение патрубка \О\. Через регулирующее устройство в этом случае будет протекать только холодная или остывшая вода из обратного трубопровода.

При любом промежуточном положении управляющего клапана 5, внутренние полости обеих половин сильфонного регулирующего органа 12 сообщены с внутренней полостью корпуса регулирующего устройства, т.е. с выходным патрубком \С\.

Натекание рабочей жидкости из патрубков \П\ и \О\ в соответствующие внутренние полости сильфона 12 через кольцевые зазоры 22 и через профилированные пазы 23 и 24 будет пропорциональным степени открытия управляющих каналов 10 и 11. Профилированные пазы на обеих половинах направляющей оси выполнены таким образом, что площадь их поперечного сечения увеличивается по мере открытия торцевых регулирующих клапанов 19 и 20, что соответственно уменьшает их гидравлическое сопротивление натекающему во внутренние полости сильфона потоку рабочей жидкости из входных патрубков 2 и 3.

Любому промежуточному положению управляющего клапана соответствует строго определенное положение регулирующего органа.

Если под действием каких-либо случайных причин регулирующий орган не займет этого своего положения, например, сместится влево, то суммарное гидравлическое сопротивление левого кольцевого зазора 22 совместно с профилированным пазом 24 будет завышенным, слив рабочей жидкости из левой внутренней полости регулирующего органа в выходной канал превысит ее натекание через кольцевой зазор и профилированный паз.

Давление рабочей жидкости в полости 15 уменьшится, перепад давления на клапан 20 создаст усилие, направленное на его открытие. Одновременно с этим в правой рабочей полости 14 сильфона суммарное гидравлическое сопротивление зазора 22 и паза 23 уменьшится, натекание рабочей жидкости в правую полость 14 превысит ее слив через управляющий канал 10. Давление рабочей жидкости в этой полости будет увеличиваться, а перепад давлений на регулирующем клапане 19 создает усилие, направленное на его закрытие. Совместными усилиями своих левой и правой половин регулирующий орган стремиться занять положение, определяемое положением управляющего клапана 5 и постоянно \следит\ за его перемещениями.

На фиг.2 изображен продольный разрез трехходового разделительного регулирующего устройства.

Устройство полностью состоит из всех деталей и элементов, входящих в смесительное регулирующее устройство, приведенное на фиг.1. Отличие заключается в выполнении профилированных пазов 23 и 24 на направляющей оси 7.

Пазы выполнены таким образом, что по мере открытия торцевых регулирующих клапанов 19 и 20, площадь поперечного сечения их, а, следовательно, и площадь их проходных сечений уменьшается, в противоположность смесительному устройству, где она увеличивается.

Корпус регулирующего устройства имеет один входной \Вх\ и два выходных патрубка - \П\ (перепуск) и \X\ (холодильник).

Работает разделительное регулирующее устройство следующим образом.

При промежуточном положении управляющего клапана 5 и подаче расхода рабочей жидкости во входной патрубок \Вх\, жидкость поступает во внутренние рабочие полости 14 и 15 сильфонного регулирующего органа 12 через соединительный канал 16, расположенный против входного патрубка 4, рабочую камеру 6, и управляющие каналы 10 и 11.

Внутренние рабочие полости 14 и 15 сильфона 12, заполняясь рабочей жидкостью, передают ее давление, уменьшенное дросселирующими сечениями кольцевых зазоров 22 и профилированными пазами 23 и 24, на подвижные торцы 17 и 18 сильфона, формируя перестановочные усилия, направленные на перемещение торцов сильфона в одну или другую сторону, определяемую положением управляющего клапана 5 и степенью открытия одного или другого управляющего канала.

При среднем положении управляющего клапана 5 и равной степенью открытия управляющих каналов 10 и 11, происходит равное натекание рабочей жидкости в левую и правую внутренние полости сильфонного регулирующего органа. Перестановочные усилия, действующие на его торцы с внутренней стороны уравновешиваются друг другом, и регулирующий орган находится в среднем положении, равномерно распределяя общий поток рабочей жидкости, поступающей из входного патрубка в выходные патрубки \П\ и\Х\.

Любое непроизвольное перемещение регулирующего органа в одну или другую сторону изменит гидравлические сопротивления кольцевых зазоров 22 и пазов 23 и 24 в каждой рабочей полости регулирующего органа\ нарушит условия протекания управляющего расхода рабочей жидкости через эти полости, повысит давление рабочей жидкости внутри той полости сильфона, в которой увеличится гидравлическое сопротивление зазора и паза, и уменьшит давление рабочей жидкости в противоположной полости сильфона, так как там будет уменьшено гидравлическое сопротивление зазора и паза.

Изменение внутренних давлений внутри сильфонного регулирующего органа сформирует на его торцах усилие, направленное на восстановление утраченного равновесия.

При любом закрытом управляющем канале регулирующий орган перемещается в ту сторону внутренней полости, которая сообщена с внутренней полостью корпуса и с входным каналом \Вх\.

Применение предложенной конструкции трехходового регулирующего устройства позволяет практически из одних и тех же деталей собирать регулирующие устройства различного назначения: для смешения потоков рабочей жидкости в системах теплоснабжения или для разделения потоков, применяющихся для поддержания заданной стабильной температуры других объектов регулирования.

Производство данных устройств на одном предприятии позволит ему с минимальными затратами освоить и изготовить трехходовые регулирующие устройства различного назначения, упростить сборку, настройку и тарировку приборов, комплектовать их маломощными манометрическими приводами, технические характеристики которых легко переналаживаются под большое многообразие особенностей систем отопления, горячего водоснабжения и других объектов автоматического регулирования.

Кроме описанного технического результата использование предложенного технического решения позволит резко повысить надежность регулирующих устройств за счет применения сильфонного регулирующего органа двустороннего действия, работающего по принципу \тяни-толкай\, когда в зависимости от положения управляющего клапана набегающий поток рабочей жидкости тянет на себя один торец сильфона, закрывая регулирующий клапан и одновременно такой же набегающий поток толкает от себя второй торец сильфона, открывая другой регулирующий клапан. Такая конструкция регулирующего органа позволяет сохранять работоспособность прибора при выходе из строя любой из половин сильфонного регулирующего органа.

Устройство представляет собой трехходовый регулятор и содержит корпус с тремя патрубками, два из которых, предназначенные для входа или выхода рабочей жидкости, снабжены посадочными седлами. Соосно двум патрубкам в корпусе установлены направляющая ось и сильфонный регулирующий орган с двумя подвижными рабочими торцами, закрытыми клапанами и соединенными между собой защитным кожухом. Концы направляющей оси размещены в осевых отверстиях клапанов и имеют профилированные пазы или лыски. Средняя часть оси закреплена в разделительной перегородке, делящей внутреннюю полость сильфонного регулирующего органа на две полости. Каждая полость сообщена управляющим каналом, с возможностью его перекрытия размещенным в корпусе управляющим клапаном, с внутренней полостью корпуса. Управляющий клапан снабжен приводом в виде манометрической термосистемы. Изобретение имеет широкую область применения в качестве смесительного или разделительного регулирующего устройства потоков, соответственно тепло- или холодоносителей, обладает повышенной надежностью. 2 ил.

Гидравлическое регулирующее устройство, содержащее корпус с тремя патрубками, один их которых смонтирован перпендикулярно к снабженным посадочными седлами двум другим патрубкам, предназначенным для входа или выхода рабочей жидкости, и размещенные в корпусе управляющий клапан с приводом, рабочей камерой и управляющими каналами, выполненный с возможностью поочередного перекрытия управляющих каналов, при этом соосно патрубкам для входа или выхода рабочей жидкости установлены направляющая ось и сильфонный регулирующий орган, имеющий жестко связанную с корпусом разделительную перегородку и два подвижных рабочих торца, соединенных между собой при помощи защитного кожуха и закрытых регулирующими клапанами с осевыми отверстиями, в которых размещены с кольцевым зазором концы направляющей оси, закрепленной своей средней частью в разделительной перегородке, делящей внутреннюю полость сильфонного регулирующего органа на две самостоятельные полости, каждая из которых сообщена управляющим каналом с рабочей камерой и далее с внутренней полостью корпуса и патрубком соответственно выхода или входа рабочей жидкости, причем на концах направляющей оси выполнены профилированные пазы или лыски, площадь поперечного сечения которых имеет возможность соответственно увеличиваться или уменьшаться по мере открытия регулирующих клапанов.