СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ СИСТЕМЫ ПЕРЕДАЧИ ТЕПЛОТЫ, А ТАКЖЕ ТАКАЯ СИСТЕМА ПЕРЕДАЧИ ТЕПЛОТЫ Российский патент 2018 года по МПК G05D23/00 F24D19/10 F24F11/00 

Изобретение относится к способу управления для системы передачи теплоты, а также к такой системе передачи теплоты.

Известны системы передачи теплоты, такие как смесительные контуры в отопительных регулированиях, в которых часть обратного потока из контура нагрузки снова подмешивается в подаваемый в контур нагрузки поток, с целью понижения температуры подаваемого потока. Для этого, как правило, предусмотрены клапан и насос, при этом клапан, с помощью которого регулируется подмешивание, регулируется в зависимости от температуры подаваемого в контур нагрузки потока. Независимо от этого, регулируется, как правило, скорость вращения насоса в контуре нагрузки в зависимости от давления. Кроме того, известно использование систем передачи теплоты с теплообменниками в отопительных регулированиях, при этом одна сторона теплообменника соединяется с подающим нагревательную среду трубопроводом, а другая сторона теплообменника соединена с контуром нагрузки. В контуре нагрузки предусмотрен, как правило, подающий насос, а в подающем трубопроводе - клапан, с помощью которого регулируется количество подаваемой нагревательной среды в зависимости от температуры в контуре нагрузки. Здесь также осуществляется регулирование температуры независимо от регулирования давления через скорость вращения насоса. Недостатком этих систем является то, что это может приводить к инерционности при больших нагрузках, а также к колебаниям регулирования при частичных нагрузках.

Задачей изобретения является улучшение управления системой передачи теплоты так, что она обеспечивает возможность оптимального регулирования во всех рабочих режимах.

Эта задача решена с помощью способа управления с указанными в пункте 1 формулы изобретения признаками, а также с помощью системы передачи теплоты с указанными в пункте 13 формулы изобретения признаками. Предпочтительные варианты выполнения следуют из зависимых пунктов формулы изобретения, приведенного ниже описания, а также прилагаемых чертежей, при этом следует понимать, что отдельные раскрытые признаки могут быть реализованы как по отдельности, так и в комбинациях друг с другом.

Способ регулирования, согласно изобретению, предусмотрен для системы передачи теплоты, например, смесительного контура в регулировании для кондиционирования воздуха или в отопительном регулировании или в контуре охлаждения с расположенным в нем теплообменником. В таких системах теплота передается из подающего трубопровода, соответственно, контура подачи через смеситель или теплообменник в контур нагрузки, соответственно, осуществляется его охлаждение. При этом в теплообменнике контур подачи проходит через одну сторону теплообменника, в то время как контур нагрузки проходит через второй канал прохождения потока, соответственно, другую сторону теплообменника. В смесительном контуре управляемый с помощью клапана или насоса подаваемый поток проходит из подающего трубопровода в контур нагрузки, и часть потока в контуре нагрузки реализуется за счет подмешивания части обратного потока из контура нагрузки на стороне входа в контур нагрузки. За счет этого подмешивания можно регулировать температуру на стороне входа контура нагрузки.

Системы передачи теплоты, для которых предусмотрен способ управления, согласно изобретению, общим имеют то, что система передачи теплоты имеет по меньшей мере один подающий трубопровод, соответственно, контур подачи, по меньшей мере один контур нагрузки и одно устройство передачи теплоты между подающим трубопроводом и по меньшей мере одним контуром нагрузки. При этом устройство передачи теплоты в первом варианте выполнения имеет по меньшей мере один теплообменник с первым каналом прохождения потока, который соединен с подающим трубопроводом, и со вторым каналом прохождения потока, который соединен по меньшей мере с одним контуром нагрузки. Во втором возможном варианте выполнения устройство передачи теплоты может быть выполнено в виде смесительного устройства и иметь по меньшей мере один смесительный трубопровод, который соединяет друг с другом выход по меньшей мере одного контура нагрузки и впуск, соответственно, вход контура нагрузки. Одновременно вход контура нагрузки соединен с указанным подающим трубопроводом. Через смесительный трубопровод в подаваемый из подводящего трубопровода поток подмешивается частичный поток из возвратного потока, соответственно, с выхода контура нагрузки, с целью возможного регулирования, например уменьшения, температуры подаваемого потока на входной стороне контура нагрузки. При этом регулирование температуры осуществляется предпочтительно с помощью клапана.

Следует понимать, что устройство передачи теплоты, согласно изобретению, можно применять как для нагревательной системы, так и для охлаждающей системы. В нагревательной системе в контур нагрузки подается нагретая текучая среда, в то время как в охлаждающей системе в контур нагрузки подается охлажденная текучая среда. При применении смесительного устройства за счет подмешиваемого из возвратного потока частичного потока в нагревательном устройстве понижается входная температура. В охлаждающей системе она, наоборот, повышается. В приведенном ниже описании изобретения на примере нагревательного устройства следует понимать, что эти признаки можно применять, соответственно, также в охлаждающем устройстве.

Способ управления, согласно изобретению, для указанной выше системы передачи теплоты, выполняется так, что подаваемый поток в подающем трубопроводе регулируется специальным образом, в частности, посредством управления или регулирования. Установка потока подаваемого потока происходит, согласно изобретению, на основании по меньшей мере одного сигнала температуры и расхода в контуре нагрузки, т.е. расхода нагрузки. При этом сигнал температуры указывает либо желаемую входную температуру контура нагрузки и/или фактическую, т.е. измеряемую температуру на входе контура нагрузки.

В отличие от уровня техники, в котором известно предусмотрение двух независимых регулирований, а именно, регулирования скорости вращения насоса в зависимости от давления, соответственно, разницы давления, и дополнительно регулирования подаваемого потока в зависимости от температуры на стороне входа контура нагрузки, согласно изобретению предусмотрено лишь интегральное регулирование. При регулировании подаваемого потока применяется в качестве входной величины не только температура, но и одновременно имеющийся расход нагрузки, соответственно, поток нагрузки. Согласно изобретению, в контуре управления, соответственно, регулирования для температуры нагрузки учитывается как температура нагрузки, соответственно, представляющий температуру сигнал, соответственно, представляющее температуру значение, так и расход в контуре нагрузки. За счет этого можно достигать при исключении не желательных колебаний лучших характеристик срабатывания.

Подаваемый поток, соответственно, подаваемый расход предпочтительно регулируется с применением насоса и/или клапана, в частности, пропорционального клапана. При применении насоса можно изменять расход посредством регулирования скорости вращения насоса. При применении клапана расход регулируется, соответственно, регулируется с помощью различных положений, соответственно, различных степеней открывания клапана.

Согласно одному предпочтительному варианту выполнения, способ управления выполнен так, что подаваемый поток в подающем трубопроводе, соответственно, подающем контуре, регулируется дополнительно на основании температуры подачи на стороне входа. Для этого измеряются соответствующие температуры текучей среды в подающем трубопроводе, т.е. на стороне входа перед устройством передачи теплоты, такого как, например, теплообменник, или на стороне выхода контура нагрузки. Предпочтительно, подаваемый поток регулируется на основании, среди прочего, фактически измеряемой выходной температуры контура нагрузки, и/или на основании, среди прочего, на фактически измеряемой на стороне входа температуры подачи. За счет учета этих значений можно осуществлять опережающее регулирование подаваемого потока. Особенно предпочтительно в основу регулирования подаваемого потока закладывается частное из потока нагрузки и разницы входной температуры подачи и выходной температуры контура нагрузки, которое представляет коэффициент передачи контура нагрузки. При упрощенном управлении можно также отказаться от измерения выходной температуры контура нагрузки и/или входной температуры подачи, и выполнять установку подаваемого потока вместо этого на основании постоянных, которые связываются с желаемой входной температурой контура нагрузки или действительной входной температурой контура нагрузки и расходом нагрузки для регулирования подаваемого потока.

Таким образом, подаваемый поток можно предпочтительно дополнительно или в качестве альтернативного решения устанавливать на основании по меньшей мере одной постоянной, которая предпочтительно связывается с потоком нагрузки и/или желаемой входной температурой контура нагрузки. С помощью такой постоянной можно осуществлять особенно простое управление, поскольку может быть уменьшено количество подлежащих измерению значений температуры. Например, при опережающем регулировании температуры можно суммировать входную температуру контура нагрузки с постоянной, с целью регулирования затем на основании этого сигнала с учетом потока нагрузки подаваемого потока. Для этого можно, например, перемножать подаваемый поток с постоянной.

Особенно предпочтительно поток q_s нагрузки определяется по следующему уравнению:

где

q_{s -} подаваемый поток,

q_L - поток нагрузки,

T_S - входная температура подачи,

T_RS - выходная температура подачи и

V - сигнал управления.

При этом частное образует коэффициент передачи устройства передачи теплоты. Значение температуры T_RS является значением температуры на выходной стороне первого канала прохождения потока теплообменника, через который проходит контур подачи. В случае, когда устройство передачи теплоты является смесительным контуром, соответственно, имеет смесительный трубопровод, значение температуры T_RS является одновременно значением температуры на выходной стороне контура нагрузки. В этом случае оно равно значению температуры на стороне выхода контура подачи, соответственно, подающего трубопровода. Указанный сигнал V может быть выходным сигналом регулятора или может быть определен с помощью уравнения V=T_ref-T_R, где T_ref является желаемой входной температурой контура нагрузки, а T_R в случае смесительного контура является выходной температурой T_RS подачи и нагрузки. Сигнал V управления может быть также образован из выходного сигнала регулятора и с помощью указанного выше уравнения, например, в виде суммы обеих величин. В случае, когда устройство передачи теплоты является теплообменником, значение температуры T_R является значением температуры T_RL, которая имеется на выходной стороне контура нагрузки, т.е. на стороне входа второго канала прохождения потока теплообменника, по которому проходит поток нагрузки. В случае, когда устройство передачи теплоты является смесительным контуром со смесительным трубопроводом, выходная температура нагрузки равна температуре, которая имеется в смесительном трубопроводе. Это - температура на выходной стороне контура нагрузки, которая соответствует также температуре T_RS на выходной стороне подающего трубопровода, соответственно, контура подачи. Разница (T_ref-T_R) является температурой прямой связи (Temperatur feedforward). Таким образом, на основании измеренных так значений возможно опережающее регулирование подаваемого потока с учетом потока нагрузки.

В случае, когда для создания, соответственно, регулирования подаваемого потока применяется насос, т.е. подаваемый поток регулируется с помощью насоса, предпочтительно скорость вращения n насоса определяется на основании следующего уравнения:

где

q_s - подаваемый поток и

K_qn - зависимый от времени сигнал, который зависит от сопротивления потоку подающего трубопровода.

Это означает, что подаваемый поток q_S определяется указанным выше образом, а затем делится на коэффициент K_qn, с помощью которого учитываются гидравлические соотношения в подающем трубопроводе. При этом коэффициент K_qn>0. Это означает, что с помощью способа управления, согласно изобретению, можно задавать желаемую скорость вращения, которая пропорциональна желаемому подаваемому потоку.

Согласно другому предпочтительному варианту выполнения, для определения скорости вращения насоса, с помощью которого регулируется, соответственно, создается подаваемый поток, или для определения степени открывания клапана, с помощью которого можно устанавливать подаваемый поток, можно учитывать разницу давления, в частности, в насосе или в клапане. Вместо разницы давления в насосе или клапане можно также учитывать разницу давления между входной стороной и выходной стороной подающего трубопровода, соответственно, подающего контура. Так, расход через клапан для регулирования подаваемого потока зависит от положения открывания клапана и разницы давления. В случае линейного клапана подаваемый поток получается в виде аналитической функции, которая зависит от положения открывания и разницы давления. В случае не линейного клапана можно с помощью измерений определять универсальную характеристику, которая представляет зависимость положения открывания клапана от подаваемого потока и от разницы давления. Такую универсальную характеристику можно заносить в память и использовать для регулирования положения открывания клапана на основании определяемого указанным выше образом подаваемого потока и измеряемой разницы давления.

Вместо создания в управляющем устройстве, которое выполняет указанный способ управления, непосредственно пропорционального степени открывания клапана управляющего сигнала, можно создавать также лишь пропорциональный подаваемому потоку сигнал, который в этом случае подается в регулятор расхода в качестве входной величины для регулирования подаваемого потока. Такой регулятор расхода может быть интегрирован вместе с управляющим устройством в общем электронном управляющем устройстве.

Согласно другому предпочтительному варианту выполнения, можно выполнять дополнительное регулирование входной температуры контура нагрузки. Это означает, что при измерении фактической входной температуры контура нагрузки она регулируется на заданное номинальное значение, а именно, на желаемую входную температуру контура нагрузки.

Согласно другому предпочтительному варианту выполнения способа управления, согласно изобретению, при регулировании подаваемого потока дополнительно учитывается задержка в передаче между точкой измерения входной температуры контура нагрузки и устройством передачи теплоты с помощью по меньшей мере одной постоянной и/или зависящей от потока нагрузки функции. Это предпочтительно, когда в системе передачи теплоты имеется большое расстояние между устройством передачи теплоты и точкой, в которой измеряют входную температуру контура нагрузки. В такой системе передачи теплоты можно измерять изменение подаваемого потока на основании входной температуры контура нагрузки лишь тогда, когда текучая среда с установленной в устройстве передачи теплоты температурой пройдет в контуре нагрузки расстояние между устройством передачи теплоты и точкой измерения входной температуры контура нагрузки. При этом чем меньше поток нагрузки, соответственно, скорость потока в контуре нагрузки, тем дольше время прохождения текучей среды по этому каналу, и, соответственно, увеличивается задержка. Это явление называется переменной задержки транспортировки. Для предотвращения не желательных колебаний при регулировании, соответственно, управлении, можно вводить соответствующую постоянную или функции для учета этой задержки. Это относится как к случаю, когда устройство передачи теплоты является теплообменником, так и к случаю, когда устройство передачи теплоты является смесительным контуром.

В другом предпочтительном варианте выполнения можно определять поток нагрузки в контуре нагрузки с помощью насоса нагрузки. Когда в контуре нагрузки расположен насос нагрузки для создания потока нагрузки, то можно из характеристик насоса, в частности, из скорости вращения и производительности и/или разницы давления, определять расход, который соответствует потоку нагрузки. Тем самым можно отказаться от отдельного датчика расхода для определения потока нагрузки. Однако в качестве альтернативного решения, может быть также предусмотрен датчик расхода для измерения потока нагрузки.

Наряду со способом управления, описание которого приведено выше, предметом изобретения является система передачи теплоты, в которой применяется такой способ управления. Эта система передачи теплоты имеет контур подачи, соответственно, подающий трубопровод, по меньшей мере один контур нагрузки, а также устройство передачи теплоты между подающим трубопроводом и по меньшей мере одним контуром нагрузки. Устройство передачи теплоты может иметь, как указывалось выше, по меньшей мере один теплообменник, который имеет первый канал прохождения потока, который соединен с подающим трубопроводом, соответственно, через который проходит контур подачи. Кроме того, теплообменник имеет второй канал прохождения потока, который соединен по меньшей мере с одним контуром нагрузки. То есть, контур нагрузки проходит через второй канал прохождения потока. Таким образом, теплота может передаваться от контура подачи, соответственно, от текучей среды в подающем трубопроводе, в текучую среду в контуре нагрузки, соответственно, текучая среда охлаждается в контуре нагрузки в случае охлаждающего устройства. В качестве альтернативного решения, устройство передачи теплоты может быть выполнено в виде смесительного устройства и иметь смесительный трубопровод, который соединяет выходную сторону по меньшей мере одного контура нагрузки с входной стороной контура нагрузки. При этом одновременно входная сторона контура нагрузки соединена с подающим трубопроводом, так что в подаваемую из подающего трубопровода текучую среду подмешивается текучая среда из обратного потока, соответственно, с выходной стороны контура нагрузки, с целью, например, уменьшения температуры текучей среды в подающем трубопроводе на входной стороне контура нагрузки. Потоки текучей среды из подающего трубопровода и смесительного трубопровода можно устанавливать с помощью по меньшей мере одного клапана.

Кроме того, система передачи теплоты, согласно изобретению, имеет по меньшей мере одно устройство регулирования подаваемого потока, с помощью которого можно устанавливать, соответственно, регулировать подаваемый поток. Устройство регулирования подаваемого потока имеет, согласно изобретению, управляющее устройство, которое выполнено так, что оно может осуществлять указанный выше способ, с целью регулирования, соответственно, регулирования с помощью установочного устройства подаваемого потока. Устройство регулирования подаваемого потока может предпочтительно иметь насос, скорость вращения которого можно устанавливать с помощью управляющего устройства. В качестве альтернативного решения или дополнительно, устройство регулирования подаваемого потока может иметь клапан, открывание, соответственно, степень открывания которого можно устанавливать с помощью управляющего устройства.

Кроме того, предпочтительно предусмотрено сенсорное устройство для измерения входной температуры контура нагрузки и сенсорное устройство для измерения потока нагрузки в контуре нагрузки. Сенсорное устройство для измерения входной температуры контура нагрузки может быть датчиком температуры на стороне входа контура нагрузки. Сенсорное устройство для измерения потока нагрузки может быть расположенным в контуре нагрузки расходомером. В качестве альтернативного решения, поток нагрузки можно измерять, как указывалось выше, также с помощью насоса в контуре нагрузки, который создает поток нагрузки. Кроме того, в системе передачи теплоты предпочтительно имеется устройство для измерения выходной температуры контура нагрузки и/или устройство для измерения входной температуры контура нагрузки. Для этого могут быть также предусмотрены датчики температуры, которые поставляют значения выходной температуры контура нагрузки и/или входной температуры контура нагрузки в качестве входных величин для регулирования, согласно изобретению, подаваемого потока в соответствии с указанным выше способом, который применяется в управляющем устройстве системы передачи теплоты, согласно изобретению.

Ниже приводится описание примеров выполнения изобретения со ссылками на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

фиг. 1а - схема системы передачи теплоты, согласно изобретению, со смесительным контуром;

фиг. 1b - схема системы передачи теплоты, согласно изобретению, с теплообменником;

фиг. 2 - универсальная характеристика, которая представляет взаимосвязь между пропорциональным открыванию клапана сигналом и разницей давления в клапане, а также расходом;

фиг. 3 - схема управления клапаном для регулирования подаваемого потока, согласно первому варианту выполнения изобретения;

фиг. 4 - схема управления скоростью вращения насоса для регулирования подаваемого потока, согласно второму варианту выполнения изобретения;

фиг. 5 - схема регулирования подаваемого потока с помощью отдельного регулятора расхода;

фиг. 6 - схема упрощенного управления клапаном для регулирования подаваемого потока;

фиг. 7а-7f - схемы шести различных систем передачи теплоты, согласно изобретению, со смесительными контурами и различными сенсорными и исполнительными элементами;

фиг. 8 - схема управления клапаном для регулирования подаваемого потока с применением регулирования температуры контура нагрузки на стороне входа;

фиг. 9 - схема управления, согласно фиг. 8, с компенсацией возникающей задержки транспортировки;

фиг. 10 - вариант выполнения управления, согласно фиг. 9, и

фиг. 11 - упрощенный вариант выполнения управления, согласно фиг. 10.

Показанная на фиг. 1а система передачи теплоты, согласно изобретению, имеет контур 2 нагрузки, а также подачу, соответственно, контур 4 подачи. Между контуром 4 подачи и контуром 2 нагрузки расположено устройство передачи теплоты в виде смесительного контура со смесительным трубопроводом 6. Смесительный трубопровод 6 соединяет выход 8 с входом 10 контура 2 нагрузки. Вход 10 одновременно соединен с приходящим из контура 4 подачи подающим трубопроводом 12. Подающий трубопровод 12 и смесительный трубопровод 6 сходятся в точке 14 смешивания. Таким образом, в этой точке 14 смешивания поток текучей среды из подающего трубопровода и поток текучей среды из смесительного трубопровода 6 смешиваются и попадают совместно на вход 10 контура 2 нагрузки. Для обеспечения возможности регулирования соотношения смешивания подаваемого потока q_S в подающем трубопроводе 12, а также смесительного потока q_R в смесительном трубопроводе 6, в подающем трубопроводе 12 расположен клапан 16, который может быть выполнен с возможностью регулирования его степени открывания, т.е., в частности, в виде приводимого в действие с помощью электродвигателя пропорционального клапана. В смесительном трубопроводе 6 расположен обратный клапан 18. Сумма подаваемого потока q_S и смесительного потока q_R образует поток q_L нагрузки в контуре 2 нагрузки. Этот поток q_L нагрузки создается с помощью насоса 20. Дополнительно к этому, в показанной системе расположены три температурных датчика 22, 24 и 26, из которых температурный датчик 22 измеряет входную температуру T_L контура нагрузки, которую имеет текучая среда на входе 10 контура 2 нагрузки, а температурный датчик 24 измеряет температуру T_S подачи в подающем трубопроводе 12. Температура T_S подачи является температурой текучей среды, которая протекает через подающий трубопровод 12. Третий температурный датчик 25 измеряет в смесительном трубопроводе 6 температуру выходящей из контура 2 нагрузки текучей среды, т.е. выходную температуру T_RS контура нагрузки.

На фиг. 1b показан второй вариант выполнения системы передачи теплоты, согласно изобретению, при этом одинаковые конструктивные элементы обозначены теми же позициями, что и на фиг. 1а. В отличие от примера выполнения, согласно фиг. 1а, показанная на фиг. 1b система передачи теплоты не имеет смесительного устройства, а имеет теплообменник 28. Через первый канал 30 потока теплообменника 28 проходит текучая среда контура 4 подачи. При этом регулируется подаваемый поток q_S, т.е. расход в контуре подачи с помощью клапана 16, который может быть выполнен указанным выше образом. С помощью температурного датчика 24 измеряется температура T_S подачи на входе в теплообменник 28. С помощью температурного датчика 26ʹ измеряется выходная температура T_RS контура подачи. В показанном на фиг. 1а примере выполнения измеряемая температурным датчиком 26 выходная температура контура нагрузки также соответствует выходной температуре T_RS контура нагрузки, поскольку одинаковая температура имеется в возвратном трубопроводе 32.

Теплообменник 28 в показанном на фиг. 1b примере выполнения имеет второй канал 34 прохождения потока, по которому проходит текучая среда контура 2 нагрузки. При этом текучая среда транспортируется с помощью насоса 20 контура нагрузки. В показанном здесь примере на выходе 8 контура 2 нагрузки расположен другой температурный датчик 36, который измеряет температуру текучей среды на выходе 8, т.е. выходную температуру T_RL контура нагрузки. Поток текучей среды проходит через выход 8 в первый канал прохождения потока теплообменника 34 и нагревается там текучей средой из контура 4 подачи, а затем через вход 10 снова входит в контур 2 нагрузки.

В обоих указанных выше вариантах выполнения системы передачи теплоты применяется, согласно изобретению, новый способ управления, в котором подаваемый поток q_S в подающем трубопроводе 12 регулируют на основании заданной входной температуры T_ref контура нагрузки, фактической входной температуры T_L контура нагрузки, которая измеряется в контуре 2 нагрузки, соответственно, на его входе 10 с помощью температурного датчика 22, а также потока q_L нагрузки. Поток q_L нагрузки в этом примере измеряется с помощью насоса 20 контура нагрузки. Он является насосным агрегатом, который может измерять, соответственно, определять транспортируемый поток, и выдавать в управляющее устройство для дальнейшей обработки.

Для системы, согласно фиг. 1а, получается следующее уравнение равновесия для температур и потоков текучей среды:

Для системы, согласно фиг. 1b, получается следующее уравнение равновесия для температур и потоков текучей среды:

Из этих уравнений равновесия можно определять транспортируемый поток следующим образом:

При этом фактор V может быть управляющим сигналом, или же может быть вычислен указанным ниже образом из измеряемых значений температуры. Когда в указанных выше уравнениях равновесия температура T_L, т.е. входная температуру контура нагрузки, заменяется заданной температурой контура нагрузки, т.е. целевым, соответственно, опорным значением температуры T_ref контура нагрузки, то для примера выполнения, согласно фиг. 1а, получается:

и для показанного на фиг. 1b примера выполнения:

Для обеспечения возможности общего описания обоих примеров выполнения вводится температурная переменная T_R, которая в случае применения смесительного контура соответствует температуре T_RS, которая является выходной температурой контура нагрузки и одновременно температурой в возвратном трубопроводе 32 контура 4 подачи. В случае применения теплообменника, TR соответствует выходной температуре T_RL на выходе 8 контура 2 нагрузки.

(T_ref-T_RS) образует фактор регулирования прямой связи, соответственно, опережающего регулирования. Частное образует инверсный фактор усиления смесительного контура, соответственно, теплообменника. На основании этих факторов можно в соответствии с указанным выше уравнением устанавливать подаваемый поток q_S в зависимости от потока q_L нагрузки и измеряемых температур, соответственно, заданных температур, так что в целом достигается более точное, более быстрое и менее склонное к колебаниям регулирование.

На фиг. 3 показана схема примера управления, соответственно, регулирования с применением клапана 16 в подающем трубопроводе 12. Фактор прямой связи в блоке 38 определения прямой связи образуется посредством вычитания температуры T_R (T_RS или T_RL в зависимости от применения теплообменника или смесительного контура) из заданной входной температуры T_ref контура нагрузки. В блоке 40 определения фактора усиления температуру T_RS, которая определяется с помощью температурного датчика 26 или 26ʹ в возвратном трубопроводе 32 контура 4 подачи, вычитают из температуры T_S подачи, которая измеряется в подающем трубопроводе 12 температурным датчиком 24. Затем в делительном блоке 44 выдаваемый насосом 20 поток q_L нагрузки делится на выходной сигнал блока 42 вычитания. Созданный так сигнал затем перемножается с фактором прямой связи в блоке 46 умножения, что приводит к получению заданного потока q_S подачи.

Когда в подающем трубопроводе 12 предусмотрен клапан 16 для регулирования подаваемого потока q_S, то определяется пропорциональный открыванию клапана сигнал u в случае, когда клапан является не линейным клапаном, например, на основании показанной на фиг. 2 универсальной характеристики, при этом в определение

включается разница давления в клапане16. Эта разница может быть определена, как будет пояснено ниже применительно к фиг. 7.

На фиг. 4 показано управление, согласно фиг. 2, для случая, когда вместо клапана 16 в подающем трубопроводе 12 используется насос 48, т.е. насос 48 подачи. Для него необходимо определять заданную скорость вращения на основании заданного подаваемого потока q_S. Это осуществляется в соответствии с уравнением:

где K_qn является зависимым от времени сигналом, который зависит от сопротивления потоку в контуре 4 подачи.

На фиг. 5 показан другой вариант выполнения показанного на фиг. 3 управления, в котором определяемый подаваемый поток q_S передается в последующий регулятор 50 расхода, который регулирует подаваемый поток q_S посредством регулирования клапана 16. Для такого регулирования расхода требуется дополнительно измерение подаваемого потока q_S в подающем трубопроводе 12 или в другом месте контура 4 подачи, например, в возвратном трубопроводе 32. Понятно, что такое регулирование расхода можно осуществлять также с применением насоса 48, при этом регулятор 50 расхода регулирует не установочный сигнал u для клапана 16, а скорость вращения n насоса 48.

На фиг. 6 показан другой вариант выполнения управления, который имеет упрощенную конструкцию. В этом варианте выполнения определение фактора прямой связи осуществляется в блоке 38ʹ определения прямой связи не посредством вычитания действительно измеренной температуры T_R из заданной входной температуры T_ref контура нагрузки. Вместо этого здесь заданная входная температура T_ref контура нагрузки суммируется с постоянной K₀. В соответствии с этим, поток q_L нагрузки лишь перемножается с постоянной K₁. Постоянные K₀ и K₁ являются зависящими от регулирования постоянными. Затем эти сигналы перемножаются в блоке 46 умножения, с целью определения подаваемого потока q_S. Затем на его основе, так же как в примере, согласно фиг. 3, с применением универсальной характеристики на фиг. 2 и с учетом разницы давления Dp_S, определяется управляющий сигнал u для клапана 16. Применение постоянных K₀ и K₁ вместо действительно измеряемых температур, обеспечивает возможность выполнения упрощенного регулирования с прямой связью.

Относительно определения установочного сигнала u для клапана 16 из показанной на фиг. 1b универсальной характеристики следует понимать, что вместо измерения разницы давления Dp_S в системах, в которых имеются лишь небольшие колебания давления, можно применять также неизменный фактор. Кроме того, в случае, когда предусмотрен линейный клапан, можно отказаться от универсальной характеристики и вместо этого выводить установочный сигнал u для клапана с помощью аналитической функции из подаваемого потока q_S.

На фиг. 7а-7f показаны варианты выполнения системы передачи теплоты, согласно фиг. 1а, с необходимыми потоками сигналов к управляющему устройству 52, которое управляет клапаном, соответственно, клапаном 16, 16ʹ подачи, или насосом 48 подачи.

Показанный на фиг. 7а вариант выполнения отличается от варианта выполнения на фиг. 1а тем, что клапан подачи, соответственно, клапан 16ʹ расположен не в подающем трубопроводе 12, а в возвратном трубопроводе 32 контура 4 подачи. Однако в возвратном трубопроводе 32 имеется тот же расход, что и в подающем трубопроводе 12, так что клапан 16, 16ʹ может быть расположен в подающем трубопроводе 12 или в возвратном трубопроводе 32, т.е. также с помощью клапана 16ʹ в возвратном трубопроводе 32 можно устанавливать расход в подающем трубопроводе 12. Входная температура T_L контура нагрузки измеряется с помощью температурного датчика 22, температура T_S подачи - с помощью температурного датчика 24, а также выходная температура контура нагрузки, которая соответствует выходной температуре T_RS контура нагрузки, измеряется с помощью температурного датчика 26 в смесительном трубопроводе 6, и их сигналы подаются в управляющее устройство 52. Кроме того, в этом примере выполнения в контуре 2 нагрузки, в этом примере на входе 10, расположен измеритель 54 расхода для определения потока q_L нагрузки. В качестве альтернативного решения, поток q_L нагрузки можно определять с помощью насоса 20 нагрузки, как указывалось выше. Также определяемый поток q_L нагрузки, соответственно, пропорциональный ему сигнал, подается в управляющее устройство 52. В управляющем устройстве 52 осуществляется указанный выше способ управления, с целью открывания или закрывания заданным образом клапана 16ʹ подачи, соответственно, регулирования степени открывания клапана 16ʹ. Когда система выбрана как показано на фиг. 1а с клапаном 16 в подающем трубопроводе 12 контура 4 подачи, то этот клапан 16 может быть соответствующим образом связан с указанными датчиками и управляться управляющим устройством 52.

Показанный на фиг. 7b вариант выполнения отличается от указанной выше системы, согласно фиг. 7а, тем, что дополнительно определяется разница давления Dp_S в контуре 4 подачи между подающим трубопроводом 12 и возвратным трубопроводом 32. Эта разница давления Dp_S также подается в управляющее устройство 52 и учитывается в нем при определении установочной величины u для клапана 16ʹ, например, на основании универсальной характеристики, показанной на фиг. 2, указанным выше образом.

На фиг. 7е показан другой вариант выполнения, в котором клапан 16ʹʹ, который служит в качестве клапана подачи, расположен в качестве смесительного клапана в точке 14 смешивания, т.е. является трехходовым двухпозиционным клапаном, с помощью которого осуществляется заданным образом смешивание транспортируемых потоков из смесительного трубопровода 6 и подающего трубопровода 12. При этом клапан 16ʹʹ предпочтительно приводится в действие с помощью электродвигателя и управляется, соответственно, регулируется указанным выше образом с помощью управляющего устройства 52. Этот смесительный клапан 16” служит также для регулирования подаваемого потока q_S, поскольку при уменьшении смесительного потока через смесительный трубопровод 6 одновременно увеличивается подаваемый поток q_S через подающий трубопровод 12, и наоборот. В показанном на фиг. 7с варианте выполнения в отличие от примера выполнения, согласно фиг. 7а и b, также как в примере выполнения, согласно фиг. 1а, поток q_L нагрузки снова измеряется, соответственно, определяется с помощью насоса 20 нагрузки и подается в управляющее устройство 52. Кроме того, с помощью датчика 56ʹ разницы давления определяется разница давления Dp_S в клапане 16ʹʹ между подающим трубопроводом 12 и входом 10 контура 2 нагрузки. Разница давления Dp_S используется указанным выше образом для определения установочного сигнала u для клапана 16ʹʹ.

Показанное на фиг. 7d выполнение соответствует показанному на фиг. 1а выполнению с тем отличием, что здесь имеется датчик 54 расхода для измерения потока q_L нагрузки. Дополнительно к этому имеются два датчика 58 и 60 давления, при этом датчик 58 давления расположен на подающем трубопроводе 12 и измеряет давление P_S подачи, а датчик 60 давления расположен в смесительном трубопроводе 6 и измеряет выходное давление P_R нагрузки, которое равно выходному давлению в возвратном трубопроводе 32 контура 4 подачи. Датчик 58 давления может быть интегрирован с температурным датчиком 24 в одном датчике. Соответственно, температурный датчик 24 может быть интегрирован с датчиком 60 давления в одном датчике. Из сигналов для давления P_S подачи и выходного давления P_R нагрузки можно снова образовывать разницу давления Dp_S в управляющем устройстве 52, которая может быть положена в основу определения установочного значения u для клапана 16.

В показанном на фиг. 7е варианте выполнения системы передачи теплоты в отличие от варианта выполнения, согласно фиг. 7d, предусмотрен датчик 56ʹʹ разницы давления, который непосредственно измеряет разницу давления между входной и выходной стороной клапана 16 и эту разницу давления Dp_S подает в управляющее устройство 52, при этом в нем, как указывалось выше, эта разница давления учитывается для определения управляющего сигнала u для клапана 16.

Пример выполнения, согласно фиг. 7f, отличается от примера выполнения, согласно фиг. 7е, тем, что вместо клапана 16 в подающем трубопроводе 12 расположен насос 48 подачи, который регулирует подаваемый поток q_S. Насос 48 подачи служит одновременно в качестве температурного датчика для измерения температуры T_S подачи и передает эту температуру T_S подачи в управляющее устройство 52. Кроме того, в этом примере выполнения нет обратного клапана 18, а также измерителя 54 расхода. Вместо этого поток q_L нагрузки определяется здесь снова насосом 20 нагрузки и передается в управляющее устройство 52. Управляющее устройство 52 определяет указанным выше образом на основе определяемых величин, а также заданной входной температуры T_ref контура нагрузки требуемую скорость вращения n для насоса 48 подачи.

Указанное выше управление с прямой связью имеет то преимущество, что регулирование можно осуществлять быстрее, поскольку возможно более быстрое согласование потока q_L нагрузки, с целью возможно более быстрого доведения входной температуры T_L контура нагрузки до заданной входной температуры T_ref контура нагрузки.

Дополнительно к этому управлению с прямой связью, которая пояснена схематично на основе фиг. 3, может быть предусмотрено, как показано на фиг. 8, дополнительное регулирование с обратной связью для входной температуры T_L контура нагрузки. Как показано на фиг. 8, для этого предусмотрен дополнительный регулятор обратной связи, в который в качестве входных величин подаются заданная входная температура T_RS контура нагрузки, а также фактическая входная температура T_L контура нагрузки. Выходной сигнал этого регулятора 62 обратной связи суммируется с выходным сигналом блока 38 определения прямой связи, а затем подается в блок 46 умножения, с помощью которого указанным выше образом определяется заданный подаваемый поток q_S. Также в этом примере применяется клапан 16 для регулирования подаваемого потока q_S. Следует понимать, что применение регулятора 62 обратной связи также можно использовать, соответственно, с насосом 48 подачи в дополнении к показанному на фиг. 4 управлению.

Кроме того, может иметься проблема, что на основании пространственного расстояния между точкой, в которой смешиваются возвратная текучая среда и текучая среда из подающего трубопровода, т.е. точкой 14 смешивания, и точкой, в которой определяется входная температура T_L контура нагрузки с помощью температурного датчика 22, возникают задержки в регулировании. В соответствии с этим, при применении теплообменника расстояние между теплообменником 28 и температурным датчиком 22 может быть очень большим. За счет этого происходит задержка транспортировки при регулировании. Для их компенсации можно применять дополнительные факторы коррекции. Кроме того, эта задержка транспортировки может быть также зависимой от потока q_L нагрузки, т.е. при большом потоке q_L нагрузки нагретая в точке 14 смешивания, соответственно, в теплообменнике 28 текучая среда достигает температурного датчика 22 быстрее, чем при меньшем транспортируемом потоке q_L. Для этого можно применять, как показано на фиг. 8, согласующее устройство 66 в дополнение к показанному на фиг. 8 управлению, соответственно, регулированию. В согласующем устройстве 66 создается с применением двух коэффициентов пересчета A_I и A_P, а также двух функций f_I и f_P на основании измеренного потока q_L нагрузки пропорциональный коэффициент K_P усиления, а также интегральный коэффициент K_I усиления, которые подаются в регулятор 62 обратной связи. В нем коэффициенты K_I и K_P образуют коэффициент усиления применяемого там изодромного регулятора.

На фиг. 10 показан вариант выполнения управления, согласно фиг. 9. Согласующее устройство 66 и регулятор 62 обратной связи, а также блок 38 определения прямой связи соответствуют приведенному выше описанию, однако при этом блок 40” определения коэффициента усиления выполнен несколько иначе. Выходной сигнал блока 42 вычитания подается в инвертер 68. Поток q_L нагрузки перемножается в блоке 70 умножения непосредственно с выходным сигналом блока 38 определения прямой связи, а затем подается в сумматор 72 для суммирования с выходным сигналом регулятора 62 обратной связи. Выходной сигнал сумматора 72 подается в блок 46 умножения, где он перемножается с выходным сигналом инвертера 68 для определения заданного подаваемого потока q_S. Определение установочной величины u для клапана 16 осуществляется затем указанным выше образом.

На фиг. 11 показан вариант выполнения управления, согласно фиг. 6, с применением регулятора 62 обратной связи и согласующего устройства 66, описание которых приведено выше. При этом выходной сигнал блока 46 умножения, описание которого приведено выше со ссылками на фиг. 6, суммируется с выходным сигналом регулятора 62 обратной связи в сумматоре 64. Затем, в отличие от показанного на фиг. 6 примера выполнения, как пояснено применительно к фиг. 4, определяется скорость вращения n для насоса 48 подачи на основании определяемого в сумматоре 64 заданного подаваемого потока q_S.

Понятно, что когда в указанных выше примерах выполнения указываются определенные функции во взаимосвязи с насосом 48 подачи, то они могут быть соответствующим образом реализованы также в клапане 16 подачи. Соответственно, функции, которые указаны лишь во взаимосвязи с клапаном 16 подачи, могут быть соответствующим образом реализованы также с помощью насоса 48 подачи. Различие состоит лишь в определении скорости вращения n, а также установочной величины u на основании определяемого подаваемого потока q_S.

Кроме того, следует понимать, что все стадии управления и регулирования, указанные выше, осуществляются в показанном управляющем устройстве 52. Таким образом, оно представляет электронное управляющее устройство для всей системы передачи теплоты.

ПЕРЕЧЕНЬ ПОЗИЦИЙ

2 Контур нагрузки

4 Контур подачи

6 Смесительный трубопровод

8 Выход

10 Вход

12 Подающий трубопровод

14 Точка смешивания

16, 16ʹ, 16ʹʹ Клапан, соответственно, клапан подачи

18 Обратный клапан

20 Насос нагрузки

22, 24, 26, 26ʹ Температурные датчики

28 Теплообменник

30 Первый канал прохождения потока

32 Возвратный трубопровод

34 Второй канал прохождения потока

36 Температурный датчик

38, 38ʹ Блок определения прямой связи

40, 40ʹ, 40ʹʹ Блок определения коэффициента усиления

42 Блок вычитания

44 Блок деления

46 Блок умножения

48 Насос подачи

50 Регулятор расхода

52 Управляющее устройство

54 Расходомер

56, 56ʹ, 56ʹʹ Датчик разницы давления

58, 60 Датчики давления

62 Регулятор обратной связи

64 Сумматор

66 Согласующее устройство

68 Инвертер

70 Блок умножения

72 Сумматор

74 Сумматор

T_ref Заданная входная температура контура нагрузки

T_L Входная температура контура нагрузки

T_RL Выходная температура контура нагрузки

T_S Температура подачи

T_RS Выходная температура контура подачи

T_R Выходная температура, соответствующая T_RS при смесителе и

T_RL при теплообменнике

q_L Поток нагрузки

q_S Поток подачи

Dp_S Разница давления

N Скорость вращения

U Установочная величина

K₀, K₁ Постоянные

A_I, A_P Коэффициент пересчета

K_qn Зависимый от сопротивления потоку сигнал

Изобретение относится к способу управления для системы передачи теплоты, а также к такой системе передачи теплоты. Система передачи теплоты имеет подающий трубопровод, по меньшей мере один контур нагрузки, определяющий поток, и одно устройство передачи теплоты между подающим трубопроводом и по меньшей мере одним контуром нагрузки, при этом подаваемый поток в подающем трубопроводе регулируют на основе заданной входной температуры контура нагрузки, фактической входной температуры контура нагрузки, которую измеряют в контуре нагрузки, и потока нагрузки в контуре нагрузки. Это позволяет обеспечить улучшение управления системой передачи теплоты так, что она обеспечивает возможность оптимального регулирования во всех рабочих режимах. 2 н. и 14 з.п. ф-лы, 17 ил.

1. Способ управления для системы передачи теплоты, при этом система передачи теплоты имеет подающий трубопровод (12), по меньшей мере один контур (2) нагрузки, определяющий поток, и одно устройство (6; 28) передачи теплоты между подающим трубопроводом (12) и по меньшей мере одним контуром (2) нагрузки, отличающийся тем, что подаваемый поток (q_S) в подающем трубопроводе (12) регулируют на основе заданной входной температуры (T_ref) контура нагрузки, фактической входной температуры (T_L) контура нагрузки, которую измеряют в контуре (2) нагрузки, и потока (q_L) нагрузки в контуре (2) нагрузки.

2. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что подаваемый поток (q_S) регулируют с применением насоса (48) и/или клапана (16, 16’, 16”).

3. Способ управления по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что устройство передачи теплоты имеет по меньшей мере один теплообменник (28) с первым каналом (30) прохождения потока, который соединен с подающим трубопроводом (12), и вторым каналом (34) прохождения потока, который соединен по меньшей мере с одним контуром (2) нагрузки.

4. Способ управления по любому из пп.1 или 2, отличающийся тем, что устройство передачи теплоты имеет по меньшей мере один смесительный трубопровод (6), который соединяет друг с другом выход (8) по меньшей мере одного контура (2) нагрузки и вход (10) контура (2) нагрузки.

5. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что подаваемый поток (q_S) регулируют дополнительно на основе выходной температуры (T_RL; T_RS) контура нагрузки и/или на основе входной температуры (T_S) контура подачи.

6. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что подаваемый поток (q_S) регулируют дополнительно на основе по меньшей мере одной постоянной (K₀, K₁), которая предпочтительно связана с потоком (q_L) нагрузки и/или заданной входной температурой (T_ref) контура нагрузки.

7. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что подаваемый поток (q_S) определяют в соответствии со следующим уравнением:

где

q_{s -} подаваемый поток,

q_L - поток нагрузки,

T_S - входная температура подачи,

T_RS - выходная температура подачи и

V - сигнал управления.

8. Способ управления по п.7, отличающийся тем, что управляющий сигнал (V) является выходным сигналом регулятора или определяется с помощью уравнения

или с помощью комбинирования этого уравнения с выходным сигналом регулятора,

при этом T_ref является заданной входной температурой контура нагрузки, а T_RL является выходной температурой контура нагрузки.

9. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что подаваемый поток (q_S) регулируют с помощью насоса (48), и скорость вращения n насоса (48) определяют на основании следующего уравнения:

где

q_s - подаваемый поток и

K_qn - зависимый от времени сигнал, который зависит от сопротивления потоку в подающем трубопроводе.

10. Способ управления по п.2, отличающийся тем, что для определения скорости (n) вращения насоса (48) или для определения открывания (u) клапана (16, 16’, 16”) учитывают разницу давления (Dp_S) в насосе (48) или в клапане (16, 16’, 16”).

11. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что при регулировании подаваемого потока (q_S) дополнительно учитывают задержку передачи между точкой (22) измерения входной температуры (T_L) контура нагрузки и устройством (6; 28) передачи теплоты с помощью по меньшей мере одной постоянной и/или зависящей от потока нагрузки функции.

12. Способ управления по п.1, отличающийся тем, что поток (q_L) нагрузки в контуре (2) нагрузки определяют с помощью насоса (20) нагрузки.

13. Система передачи теплоты, содержащая подающий трубопровод, по меньшей мере один контур (2) нагрузки, устройство (6; 28) передачи теплоты между подающим трубопроводом (12) и по меньшей мере одним контуром (2) нагрузки и регулирующее подаваемый поток устройство (48; 16, 16’, 16”), которое регулирует подаваемый поток (q_S), отличающаяся тем, что регулирующее подаваемый поток устройство имеет по меньшей мере одно управляющее устройство (52), которое предназначено для выполнения способа по любому из пп.1–12.

14. Система передачи теплоты по п.13, отличающаяся тем, что предусмотрено сенсорное устройство (22) для измерения входной температуры (T_L) контура нагрузки и сенсорное устройство (20; 54) для измерения потока (q_L) нагрузки в контуре (2) нагрузки, и предпочтительно измеряющее температуру устройство (24, 26) для измерения выходной температуры (T_R) контура нагрузки и/или входной температуры (T_S) контура подачи.

15. Система передачи теплоты по любому из пп.13 или 14, отличающаяся тем, что регулирующее подаваемый поток устройство имеет насос (48), скорость вращения (n) которого регулируется с помощью управляющего устройства (52), и/или имеет клапан (16, 16’, 16”), открывание (u) которого регулируется с помощью управляющего устройства (52).

16. Система передачи теплоты по п.13, отличающаяся тем, что устройство передачи теплоты имеет по меньшей мере один теплообменник, который имеет первый канал прохождения потока, который соединен с подающим трубопроводом, и второй канал прохождения потока, который соединен по меньшей мере с одним контуром нагрузки, или имеет смесительный трубопровод, который соединяет выходную сторону по меньшей мере одного контура нагрузки с входной стороной контура нагрузки.