Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ проблемы обеспечения заданной температуры в помещениях и постановка задач исследования 10
1.1 Необходимость создания комфортных температурных условий в помещениях различного назначения 10
1.2 Принципы контроля и регулирования температуры в помещениях различного назначения 15
1.3 Анализ средств контроля и регулирования температуры воздуха в помещениях 17
1.4 Выбор принципа построения датчика температуры для СКР 22
1.5 Обобщение результатов анализа, постановка задач исследования 27
1.6 Выводы 29
Глава 2 Теоертические исследования и разработка средства контроля и регулирования температуры для помещений с однотрубной системой отопления 30
2.1 Разработка математической модели устройства регулирования
2.2 Теоретические исследования устройства регулирования с целью обоснования путей снижения коэффициента гидравлического сопротивления и обоснования значений конструктивных параметров 38
2.3 Обоснование требований к датчику температуры 42
2.4 Моделирование датчика температуры с твердым наполнителем 44
2.5 Теоретические исследования датчика температуры с целью обоснования технических решений по обеспечению требуемых метрологических характеристик 53
2.6 Разработка СКР температуры для помещений с однотрубной системой отопления 59
2.6.1 Разработка датчика температуры СКР 59
2.6.2 Конструктивное решение СКР 66
2.7 Выводы 68
Глава 3 Экспериментальные исследования средства контроля и регулирования температуры для помещений с однотрубной системой отопления 70
3.1 Гидравлические испытания средства контроля и регулирования температуры для помещений с однотрубной системой отопления
3.2 Экспериментальные исследования статической характери стики датчика температуры средства контроля и регулирования температуры
3.3 Исследование динамических характеристик датчика температуры
3.4 Выводы 87
Глава 4 Исследование эффективности использования разработанного средства контроля и регулирования температуры в помещении с однотрубной системой отопления 89
4.1 Исследование влияния бытовых тепловыделений на работу средства контроля и регулирования температуры для помещений с однотрубной системой отопления 89
4.2 Определение эффективности работы средства контроля и регулирования температуры в помещении, оборудованном однотрубной системой отопления 92
4.2.1 Методика проведения исследований 92
4.2.2 Определение и анализ зависимости между температурой воздуха в исследуемом помещении и температурой в месте установки средства контроля и регулирования температуры 96
4.2.3 Анализ работоспособности и эффективности средства контроля и регулирования температуры для помещений с однотрубной системой отопления 99
4.2.4 4 Анализ точности поддержания заданной температуры воздуха в помещении с помощью разработанного средства контроля и регулирования температуры 104
4.2.5 Анализ воспроизводимости результатов измерения заданной температуры воздуха по шкале настройки разработанного средства контроля и регулирования температуры 105
4.2.6 Оценка качества процесса регулирования температуры воздуха в помещении, оборудованном СКР температуры 111
4.2.7 Анализ расхода теплоносителя через отопительный прибор 111
4.3 Выводы 113
Заключение 115
Список использованных источников 118
Приложение А 130
- Необходимость создания комфортных температурных условий в помещениях различного назначения
- Теоретические исследования устройства регулирования с целью обоснования путей снижения коэффициента гидравлического сопротивления и обоснования значений конструктивных параметров
- Экспериментальные исследования статической характери стики датчика температуры средства контроля и регулирования температуры
- Определение и анализ зависимости между температурой воздуха в исследуемом помещении и температурой в месте установки средства контроля и регулирования температуры
Введение к работе
Создание комфортных температурных условий в помещениях при экономном расходовании тепловой энергии является важной социально-экономической задачей.
Для помещений различного назначения нормативной документацией регламентируются определенные комфортные значения температур. Так, например, для помещений жилых, общественных и административных зданий рекомендуется температура 20 °С; для производственных помещений в зависимости от степени тяжести выполняемой работы температура нормируется от 16 °С до 23 °С; для помещений лечебно-профилактических (ЛПУ), учебных и дошкольных учреждений требуемые значения температур в зависимости от назначения помещения изменяются от 18 до 25 °С.
Таким образом, существует актуальная проблема обеспечения индивидуальной температуры в различных помещениях, особенно в помещениях третьей группы, которые характеризуются повышенным коэффициентом обеспеченности тепловой энергией.
На температуру воздуха в помещении воздействует множество внешних и внутренних факторов, при этом основное влияние в течение отопительного сезона оказывает отопительная система. Поэтому обеспечение индивидуальной температуры в различных помещениях здания целесообразно осуществлять средствами контроля и регулирования (СКР) системы отопления, наиболее перспективными из которых являются СКР, работающие в автоматическом режиме.
Существенный вклад в развитие средств контроля и регулирования температуры внесли В.В. Клюев, В.П. Вавилов, Ю.А. Попов, С.Ф. Корндорф, Т.И. Ногачева, В.Д. Курбан, В.Н. Богословский, Л.Д. Богуславский, СБ. Лукашевич, В.А. Шилов, В.Я Грислис, В.К. Дюскин, В.Д. Мачинский, П.Н. Каменев, К.Д. Тимошенков, С.А. Чистович, М.И. Гримитлин и др. СКР серийно выпускаются рядом отечественных и зарубежных фирм: Смоленский НИИ "Тепло-прибор", Danfoss, Heimeier, Oventrop, Herz, SOP AC, MNG, FAR, Osy OY, Merik, и др.
Анализ состояния вопроса показывает, что на сегодняшний день отсутствует эффективное решение задачи обеспечения комфортных температурных условий в помещениях зданий, оборудованных однотрубными системами отопления. Эти системы характеризуются низкой металлоемкостью и высокой индустриальностью. Ими оборудовано до 90 % зданий жилищно-гражданского и производственного назначения, в частности, лечебно-профилактические, учебные и дошкольные учреждения. Специфика однотрубной системы отопления предполагает применение СКР с низким коэффициентом гидравлического сопротивления (по ГОСТ 10944-75 не должен превышать 3,5), а выпускаемые промышленностью СКР характеризуются более высоким значением и не могут эффективно использоваться в однотрубных системах.
Решению этой задачи и посвящена настоящая диссертационная работа.
Объектом исследований является помещение, оборудованное однотрубной системой отопления, а предметом исследований - средство контроля и регулирования температуры.
Цель работы: создание инструментального обеспечения контроля и регулирования отдельных участков однотрубной системы отопления для поддержания комфортных температурных условий в оборудованных этой системой помещениях различного назначения при экономном расходовании тепловой энергии.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1) разработка математической модели потока теплоносителя в устройстве регулирования СКР;
2) теоретическое обоснование путей снижения коэффициента гидравлического сопротивления СКР и значений его основных конструктивных параметров;
3) разработка математической модели датчика температуры с твердым наполнителем и переменной нагрузкой на шток;
4) теоретическое обоснование технических решений по обеспечению требуемых метрологических характеристик датчика температуры СКР;
5) техническая реализация СКР температуры для помещений с однотрубной системой отопления;
6) экспериментальные исследования СКР температуры для помещений с однотрубной системой отопления с целью проверки достоверности полученных теоретических положений и выводов;
7) экспериментальные исследования эффективности разработанного СКР в здании, оборудованном однотрубной системой отопления.
В работе используются операторный метод, методы вероятностного, численного, корреляционного и регрессионного анализов.
Экспериментальные исследования проводились с использованием серийно выпускаемых современных средств измерения и на оригинальных установках, выполненных с использованием средств вычислительной техники.
Положения, выносимые на защиту:
- математические модели устройства регулирования СКР на участке однотрубной системы отопления с переменной геометрией проходного сечения регулирующего органа и датчика температуры с твердым наполнителем с переменной нагрузкой на шток;
- теоретические зависимости коэффициента гидравлического сопротивления устройств регулирования и метрологических характеристик датчика температуры от конструктивных параметров СКР;
- техническая реализация СКР температуры для помещений с однотрубной системой отопления;
- результаты экспериментальных исследований эффективности работы СКР температуры в помещении, оборудованном однотрубной системой отопления.
Научная новизна результатов диссертационной работы::
- разработана модель устройства регулирования СКР температуры для помещений с однотрубной системой отопления, основанная на уравнении Новье-Стокса, теореме Борда, формуле Вейсбаха, отличающаяся переменной геометрией проходного сечения регулирующего органа за счет произвольного угла наклона его перегородки;
- получены зависимости значения коэффициента гидравлического сопротивления устройства регулирования от угла наклона перегородки регулирующего органа и других конструктивных параметров;
- разработана модель датчика температуры с твердым наполнителем, основанная на уравнении Клайперона-Клаузиуса и формуле Джонса, отличающаяся учетом переменного усилия на шток датчика и сил трения;
- получены зависимости метрологических характеристик датчика тем пературы при переменной нагрузке на шток и изменении силы трения от конструктивных параметров СКР.
Практическая ценность результатов работы заключается в следующем:
- разработан датчик температуры прямого действия с твердым наполни телем с улучшенными метрологическими характеристиками, защищенный патентами РФ на полезную модель № 75065 и № 79192;
- разработано СКР температуры для помещений с однотрубной системой отопления с низким коэффициентом гидравлического сопротивления, защищенное патентом РФ на изобретение № 2297023;
- разработана теоретическая база, включающая совокупность математических моделей и аналитических зависимостей, для научного обоснования выбора значений конструктивных параметров средств контроля и регулирования температуры.
Разработанные устройства прошли эксплуатационные испытания и внедрены в МЛПУ «Городская стоматологическая поликлиника № 1 г. Орла». Результаты диссертационных исследований внедрены в учебный процесс на кафедре «Приборостроение, метрология и сертификация» ОрелГТУ.
Апробация работы. Материалы диссертационного исследования доложены и обсуждены на 4-х Международных конференциях и семинарах, на Всероссийской конференции и на ряде вузовских конференций:
1) Пятая международная научно-практическая интернет-конференция "Энерго- и ресурсосбережение XXI век", Орел, 2007г.
2) Всероссийская конференция "Новые технологии в научных исследованиях, проектировании, управлении, производстве", Воронеж, 2008г.
3) Шестая международная научно-практическая интернет-конференция "Энерго- и ресурсосбережение XXI век", Орел, 2008г.
4) XVII Международный научно-технический семинар "Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации", Алушта, 2008г.
5) XVIII Международный научно-технический семинар "Современные технологии в задачах управления, автоматики и обработки информации", Алушта, 2009г.
6) научно-технические конференции ОрелГТУ, 2006-2009 г.г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 19 печатных работ, в том числе три патента РФ.
Необходимость создания комфортных температурных условий в помещениях различного назначения
Создание комфортных условий в помещении является важной социальной задачей. Микроклимат в помещении в соответствии с ГОСТ 30494-96 определяется показателями температуры воздуха и ограждающих конструкций, влажностью и подвижностью воздуха. Основным показателем, влияющим на самочувствие человека, является температура воздуха в помещении. Благоприятным является микроклимат, когда количество теплоты, произведенной организмом человека, равно количеству теплоты, отданного человеком в окружающую среду. Понятие температурного комфорта для каждого человека индивидуально [1-3].
Помещения согласно СНиП 41-01-2003 классифицируются на три группы. К первой группе относятся помещения жилых, общественных и административных зданий. Ко второй группе относится производственные помещения, различаемые по степени тяжести выполняемой физической работы на: легкой; средней тяжести и тяжелой. К третьей группе относятся помещения лечебно-профилактических (ЛИУ), учебных и дошкольных учреждений.
Для оценки температурного комфорта В.Н. Богословским сформулированы два условия комфортности. Первое условие заключается в том, что человек, находящийся в середине рабочей зоны, не должен испытывать ни перегрева, ни переохлаждения [4-7]. Второе условие комфортности определяет допустимые температуры нагретых и охлажденных поверхностей при нахождении человека на границах обслуживаемой зоны [5-7].
Для помещений первой группы комфортная температура воздуха нормируется по ГОСТ 30494-96 и составляет 20С. При выполнении легкой физической работы нормируемое значение температуры воздуха /в в помещениях второй группы соответствует 20...23 С, при средней тяжести - 18...20 С, при тяжелой - 16...18С (рисунок 1.1). Рекомендуемые отклонения температур от нормируемого значения получены В.Н. Тетеревниковым и Л.В. Лопухиным [5, 6-11]. Как видно из рисунка, комфортная температура воздуха в помещении зависит от интенсивности работы, времени года и находится в определенном соотношении с радиационной температурой внутренних поверхностей ограждений.
Для хорошего самочувствия человеку необходим определенный температурный режим, который изменяется в течение суток и не совпадает с нормативной температурой воздуха в помещениях. Оказывается полезным изменение температуры воздуха в течение дня в связи с изменением интенсивности обмена веществ и деятельности, а также понижение ее на 2..3 С ночью.
Система терморегуляции человека в состоянии поддерживать равенство между теплопоступлениями и теплопотерями организма в диапазоне от 14 до 23 С. При более низкой или высокой температуре воздуха в теле человека наблюдается недостаток или накопление теплоты, вызывающие переохлаждение или перегревание организма [5].
Согласно нормативным документам [12-14] в помещениях третьей группы температуру воздуха в помещениях рекомендуется поддерживать в диапазоне от 18 до 25 С в соответствии с таблицей 1.1.
Температура воздуха в помещении определяется его тепловым балансом [15-18], который зависит от внешних факторов (изменения температуры наружного воздуха, скорости и направления ветра, интенсивности солнечной радиации) и внутренних факторов (тепловой энергии, выделяемой при работе электрических приборов и при приготовлении пищи). Человек, находящийся в спокойном состоянии, выделяет в час около 75 Вт тепловой энергии) [5].
Согласно СНиП 2.08.01-89 и СанПиН 2.1.2.1002-00 в помещениях должна быть обеспечена естественная вентиляция (форточки, откидные фрамуги и другие приспособления) или приточно-вытяжная вентиляция [19] за исключением инфекционных отделений ЛПУ. Таким образом, температура воздуха в помещении является комплексным параметром, зависящим от многих факторов, и единых требований к оптимальной температуре воздуха в помещении нет. При этом точность поддержания температуры составляет ±2 С [13] в зависимости от его назначения и вида выполняемой работы. Наиболее актуальной является проблема обеспечения индивидуальной комфортной температуры воздуха в помещениях третьей группы (с повышенным коэффициентом обеспеченности).
В России на отопление расходуется около 30 % топливно-энергетических ресурсов [5, 20-22]. Вопрос их рационального использования остается одним из актуальных на сегодняшний день. Это подтверждается Федеральным Законом "Об энергосбережении" №28-ФЗ [20-29]. Большинство зданий в нашей стране отапливаются системами централизованного теплоснабжения. Температура теплоносителя в подающем и обратном трубопроводах поддерживаются по температурному графику [5, 23]. На рисунке 1.2 представлен температурный график (95-70 С). Параметры теплоносителя должны соответствовать температурному графику. Как видно из рисунка 1.2, температура теплоносителя в подающем трубопроводе поддерживается в соответствии с температурой наружного воздуха и связана с температурой в помещении через тепловой баланс. За счет влияния солнечной радиации и бытовых тепловыделений температура в помещении повышается. При этом наблюдается нарушение комфортных температурных условий и перерасход тепловой энергии. Для понижения температуры воздуха в помещении применяют проветривание. При этом часть тепловой энергии расходуется на обогрев поступившего в помещение воздуха. В помещениях жилых зданий оплата за тепловую энергию осуществляется по установленному администрацией города тарифу в зависимости от количества квадратных метров жилой площади. В г. Орле с 1 января 2009 года тариф увеличился на 25% и составил 10,89 рублей за 1 м отапливаемой площади.
Теоретические исследования устройства регулирования с целью обоснования путей снижения коэффициента гидравлического сопротивления и обоснования значений конструктивных параметров
Анализ датчиков температуры, выпускаемых отечественными предприятиями ООО "Приборика", "Кипарис" , ООО "ФОМАКО", ЗАО "РОС-МА", ООО "Удар", ЗАО "Прибор-комплект", ОАО "Теплоконтроль" и зарубежными фирмами "Heimeier" (Германия), "WIKA Alexander Wiegand GmbH & Co.KG" (Германия), KFM S.A. (Польша), "Raytek" (США) показал, что для контроля и регулирования температуры воздуха в помещениях применяются датчики температуры прямого и непрямого действия.
Датчики температуры непрямого действия позволяют передавать сигнал к исполнительному механизму на значительные расстояния, эти сигналы удобны для обработки, обладают высокой точностью, имеют широкий диапазон измерения. Недостатком таких датчиков является то, что они требуют наличие источника энергии и исполнительного механизма.
В датчиках прямого действия источником энергии является контролируемая среда и исполнительного механизма не требуется, так как датчик сам выполняет функцию активного командного контроля [60-82]. Такие датчики надежны в эксплуатации и развивают значительные усилия на штоке при малых габаритах.
Таким образом, в качестве чувствительного элемента СКР для однотрубной системы отопления целесообразно использовать датчики температуры прямого действия. Датчики прямого действия подразделяются на биметаллические, манометрические и с твердым наполнителем.
В биметаллических датчиках температуры [67, 82-84] в качестве чувствительных элементов применяется биметаллические пластины, спирали и элементы другой геометрической формы. Принцип действия такого датчика основан на использовании разности коэффициентов линейного расширения. При изменении температуры термочувствительного элемента его свободный конец прогибается или поворачивается на определенный угол [86, 87]. Биметаллические датчики (полезная модель № 36516, АС СССР № 1835494) способны развивать незначительные усилия при небольших габаритных размерах, поэтому чаще всего их применяют в качестве показывающих приборов. Указанные датчики используются в широком диапазоне температур (от -50 до + 600 С), обеспечивая точность от ± 1 до ± 3 %. [67, 83].
В дилатометрических датчиках температуры [67, 79, 86, 87] используется разность коэффициентов линейного расширения двух твердых тел при изменении температуры. В качестве чувствительного элемента используется трубка из металла с более высоким коэффициентом линейного температурного расширения, внутри которой концентрично расположен стержень из металла с более низким значением коэффициента линейного температурного расширения. Дилатометрические датчики (АС СССР № 648798, АС СССР № 1840344, АС СССР № 1814034, полезная модель № 34730) развивают большие усилия. Диапазон измерения датчиков составляет от -30 до 150 С. При этом обеспечивается точность от ± 1 до ± 3 %. Основным недостатком таких датчиков является их большая длина, которая не позволяет использовать такие датчики в СКР [67].
Манометрические датчики температуры прямого действия в зависимости от вида наполнителя подразделяются на: датчики температуры с газовым, парожидкостным и твердым наполнителем. В качестве чувствительных элементов газовых и парожидкостных датчиков применяются сильфоны, мембраны и термобаллоны [84, 86, 87, 88].
В манометрических датчиках с газовым наполнителем используется физическая зависимость давления, заключенного в замкнутом объеме газа, от температуры. Такие датчики чувствительны к изменению барометрического давления и температуры. Недостатком датчиков с парожидкостным наполнителем является погрешность от гидростатического давления наполнителя, появляющаяся при заполнении датчика, а также значительный размер баллона, что затрудняет их применение в СКР [82, 83, 86].
Принцип действия манометрических датчиков температуры с жидкостным наполнителем основан на изменение объема жидкости при изменении температуры. Основным достоинством таких датчиков является возможность развивать большое усилие на штоке. Недостатками таких датчиков являются большие габаритные размеры термобаллона [86].
Широкое применение в СКР нашли манометрические датчики температуры с твердым наполнителем (АС СССР № 864023, АС СССР № 970130, АС СССР № 1040350, АС СССР № 2018097). Их достоинствами являются большая величина хода и развиваемого усилия на штоке, простота конструкции, малые габаритные размеры и масса. Недостатком таких датчиков является большая величина ширины петли гистерезиса [81, 85-87].
Таким образом, из всех датчиков температуры прямого действия для СКР в качестве чувствительного элемента целесообразно использовать датчик температуры с твердым наполнителем, так как он при небольших габаритах обеспечивает значительный ход штока, способен развивать достаточные усилия на штоке, что позволяет его использовать в качестве самостоятельного элемента, осуществляющего активный командный контроль [86].
Началом разработки датчиков температуры с твердым наполнителем принято считать 1957 г., когда в Научно-исследовательском и экспериментальном институте автомобильного оборудования, карбюраторов и приборов (НИИАвтоприборов) решались вопросы по применению датчиков с твердым наполнителем для систем жидкостного охлаждения автомобильных и транспортных ДВС. В 1962 г. Всесоюзным научно-исследовательским институтом нефтяной промышленности (ВНИИ НП) разработаны термоактивные наполнители на базе синтетических церезинов. За рубежом датчики температуры с твердым наполнителем выпускались с 1956 г. фирмой "Доул Вэлв Ко" (США), "Стандарт Томсон" (Англия)" и использовались в системе охлаждения автомобильных двигателей. В более позднее время датчики выпускались фирмой "Элак". В настоящее время датчики выпускаются зарубежными фирмами Danfoss, FAR, HERZ и др.
Конструкции датчиков с твердым наполнителем условно разделяют на две группы: мембранные (рисунок 1.6) и поршневые (рисунок 1.7). Наполнителем таких датчиков является смесь специально полученного воска с медным или алюминиевом порошком, обеспечивающая близкую к линейной статическую характеристику датчика.
Экспериментальные исследования статической характери стики датчика температуры средства контроля и регулирования температуры
Статистически доказана воспроизводимость значений температуры в помещении, соответствующих одной и той же уставке, при повторной настройке СКР на заданное номинальное значение (с доверительной вероятностью 0,95 подтверждена незначимость различия средних арифметических значений температуры в помещении для серий значений, соответствующих каждой из уставок), при этом температура в помещении в различные временные периоды поддерживалась на каждой из уставок на уровне tll0M, средние значения температуры, отклонялись от номинального не более, чем на 0,17 С, а предельные отклонения не превышали 1,38 С; на основании регрессионного анализа выявлена практически функциональная линейная зависимость между температурой в середине помещения и температурой в месте установки СКР, что подтверждает возможность однозначного контроля температуры разработанным СКР при незначительной систематической погрешности, учитываемой при его настройке.
Разработанное СКР поддерживает заданное значение температуры воздуха в помещении в диапазоне от 18 до 25 С, при этом эффективно решает задачу индивидуального регулирования температуры в помещениях, оборудованных однотрубными системами отопления, характеризуется простотой эксплуатации, не требует высококвалифицированного обслуживания, и обеспечивает экономию тепловой энергии до 17 % за счет исключения перетопов и до 7 % за счет повышения точности поддержания температуры по сравнению с нормативной. Основные результаты и выводы по диссертационной работе: 1 Проведенный анализ состояния проблемы обеспечения индивидуаль ных комфортных температурных условий в различных помещениях в зави симости от их назначения при экономном расходовании тепловой энергии показал, что на сегодняшний день отсутствует эффективное решение этой актуальной социально-экономической проблемы для зданий с однотрубной системой отопления. 2 Установлено, что основной причиной, препятствующей решению указанной проблемы существующими средствами, является высокое значение коэффициента гидравлического сопротивления серийно выпускаемых отечественной и зарубежной промышленностью СКР, поэтому поставлена задача создания СКР с коэффициентом гидравлического сопротивления, не превышающим предельного нормативного значения 3,5, и погрешностью поддержания требуемой температуры в помещении не более 2 С. 3 Разработаны модель потока теплоносителя в устройстве регулирования СКР, основанная на уравнении Новье-Стокса, теореме Борда, формуле Вейсбаха и отличающаяся рассмотрением общего случая при переменной геометрии проходного сечения регулирующего органа за счет произвольного угла наклона его перегородки к направлению движения потока теплоносителя, а также модель запорного устройства. Проведенные с использованием моделей теоретические исследования подтвердили выдвинутую автором гипотезу о возможности снижения коэффициента гидравлического сопротивления за счет выполнения перегородки наклонной, при этом получены зависимости коэффициента гидравлического сопротивления,от угла наклона перегородки и других конструктивных параметров, обеспечивающие возможность обоснования выбора значений конструктивных параметров устройства регулирования из условий достижения требуемого коэффициента гидравлического сопротивления и предотвращения эффекта соскальзывания. 4 Разработана модель датчика температуры с твердым наполнителем, основанная на уравнении Клайперона-Клаузиуса и формуле Джонса, отличающаяся учетом переменной нагрузки на шток датчика и сил трения. Полученные на базе модели статические характеристики раскрывают характер влияния различных факторов на метрологические характеристики датчика, формируя теоретическую базу для принятия технических решений и обоснования выбора конструктивных параметров датчика. 5 На основе результатов теоретических исследований принят ряд защищенных патентами технических решений, предложена конструкция и обоснован выбор параметров СКР температуры для помещений с однотрубной системой отопления, включающего устройство регулирования со значением коэффициента гидравлического сопротивления меньше 3,5 и датчик температуры с улучшенными метрологическими характеристиками. 6 Экспериментальные исследования образцов разработанного СКР подтвердили адекватность предложенных моделей, правильность теоретических результатов и выводов, а также достижение требуемых метрологических характеристик: гистерезис статической характеристики датчика температуры в рабочем диапазоне от 18 до 25С не превышает 1С при ходе штока более 9 мм, силе предварительного поджатия пружины более 45 Н и постоянной времени менее 1470 с; 7 Проведенные экспериментальные исследования и эксплуатационные испытания разработанного СКР в МЛПУ "Городская стоматологическая поликлиника №1 г.Орла" в течение отопительного сезона 2008-2009 годов подтвердили его работоспособность и эффективность в решении задачи обеспечения комфортных температурных условий в помещениях различного назначения, оборудованных однотрубной системой отопления, при высокой точности поддержания температуры на заданном уровне и экономном расходовании тепловой энергии. В частности, установлено, что при существенном изменении температуры наружного воздуха (от -15 до 9 С) и бытовых тепловыделений предельные отклонения температуры воздуха в помещении, оборудованном СКР, от задаваемого настройкой СКР номинального значения при каждой из восьми уставок в диапазоне от 18 до 25 С не превышают 1,5 С, а среднее квадратическое отклонение менее 0,7 С. При этом статистически доказана воспроизводимость значений температуры в помещении, соответствующих одной и той же уставке, при повторной настройке СКР на заданное номинальное значение и значимость различия средних арифметических значений температуры при изменении настройки уставки СКР. 8 Оценка ожидаемой эффективности от внедрения СКР, выполненная на базе анализа результатов эксплуатационных испытаний в течение 64 суток, показала, что экономия тепловой энергии за счет исключения перетопов составляет до 17 % а за счет повышения точности поддержания температуры по сравнению с нормативной - до 7 %. Разработанные устройства прошли эксплуатационные испытания и внедрены в МЛПУ «Городская стоматологическая поликлиника № 1 г. Орла» (подтверждается актом эксплуатационных испытаний и внедрения, приведенным в приложении Е). Результаты диссертационных исследований внедрены в учебный процесс на кафедре "Приборостроение, метрология и сертификация" ОрелГТУ (приложение Ж).
Определение и анализ зависимости между температурой воздуха в исследуемом помещении и температурой в месте установки средства контроля и регулирования температуры
За рубежом датчики температуры с твердым наполнителем выпускались с 1956 г. фирмой "Доул Вэлв Ко" (США), "Стандарт Томсон" (Англия)" и использовались в системе охлаждения автомобильных двигателей. В более позднее время датчики выпускались фирмой "Элак". В настоящее время датчики выпускаются зарубежными фирмами Danfoss, FAR, HERZ и др.
Конструкции датчиков с твердым наполнителем условно разделяют на две группы: мембранные (рисунок 1.6) и поршневые (рисунок 1.7). Наполнителем таких датчиков является смесь специально полученного воска с медным или алюминиевом порошком, обеспечивающая близкую к линейной статическую характеристику датчика.
При нагреве в рабочем диапазоне температур наполнитель расплавляется. При этом его объем заметно увеличивается, вытесняет мембрану 3 и через буфер 5 перемещает шток 7 в направлении оси втулки 6. Прокладка 8 предохраняет буфер от непосредственного контакта с регулируемой средой и снижает силу трения в этом соединении [83, 86, 87].
К основному недостатку датчиков этой группы следует отнести ограниченный ход штока. Кроме того, мембрана и буфер в рабочем состоянии испытывают сложные деформации, подвергаясь одновременно высокому давлению.
Поршневые датчики отличаются от мембранных тем, что шток 1 при расплавлении наполнителя 2 выдавливается непосредственно из резиновой втулки 3 с глухим дном (рисунок 1Л а). Применяется также конструкция (рисунок 1.76) с металлической капсулой 3, обеспечивающей действие на поршень только осевого давления. Такие датчики более совершенны [81-83, 85-87].
Таким образом, из рассмотренных конструкций манометрических датчиков температуры с твердым наполнителем для СКР в качестве чувствительного элемента целесообразно использовать поршневые датчики небольшого размера, позволяющие в рабочем диапазоне температуры развивать достаточно большой ход и усилие на штоке.
Проведенный анализ показал, что отсутствует эффективное решение актуальной социально-экономической проблемы обеспечения комфортных температурных условий в помещениях зданий, оборудованных однотрубной системой отопления. В этой связи поставлена цель диссертационной работы: создание инструментального обеспечения контроля и регулирования отдельных участков однотрубной системы отопления для поддержания комфортных температурных условий в оборудованных этой системой помещениях различного назначения при экономном расходовании тепловой энергии. На основании проведенного анализа путей достижения поставленной цели осуществлен выбор принципа регулирования температуры по отклонению регулируемого параметра и обоснован выбор манометрического датчика температуры прямого действия с твердым наполнителем в качестве базового элемента средства контроля температуры. Для достижения поставленной цели возникает необходимость решить следующие задачи: 1) разработать математическую модель потока теплоносителя в устройстве регулирования СКР; 2) теоретически обосновать пути снижения коэффициента гидравлического сопротивления СКР и значений его основных конструктивных параметров; 3) разработать математическую модель датчика температуры с твердым наполнителем и переменной нагрузкой на шток; 4) теоретически обосновать технические решения по обеспечению требуемых метрологических характеристик датчика температуры СКР; 5) технически реализовать СКР температуры для помещений с однотрубной системой отопления; 6) экспериментально исследовать СКР температуры для помещений с однотрубной системой отопления с целью проверки достоверности полученных теоретических положений и выводов; 7) экспериментально исследовать эффективность разработанного СКР в здании, оборудованном однотрубной системой отопления. 1 Проведенный анализ состояния проблемы обеспечения индивидуаль ных комфортных температурных условий в различных помещениях в зави симости от их назначения при экономном расходовании тепловой энергии показал, что на сегодняшний день отсутствует эффективное решение этой актуальной социально-экономической проблемы для зданий с однотрубной системой отопления. 2 Установлено, что основной причиной, препятствующей решению указанной проблемы существующими средствами, является высокое значе ние коэффициента гидравлического сопротивления серийно выпускаемых СКР, поэтому поставлена задача создания СКР с коэффициентом гидравли ческого сопротивления, не превышающим предельного нормативного значе ния 3,5, и погрешностью поддержания требуемой температуры в помещении не более 2 С. З.В качестве принципа регулирования температуры в помещении целесообразно реализовать принцип регулирования по отклонению регулируемого параметра, который позволяет учесть не только внешние, но и внутренние возмущающие факторы, влияющие на отклонение температуры воздуха в помещении от заданного значения. 4 В качестве чувствительного элемента для СКР рекомендуется использовать датчик температуры с твердым наполнителем, который при небольших габаритах обеспечивает большой ход штока датчика, развивает значительные усилия, что обеспечивает возможность осуществлять активный командный контроль в заданном диапазоне температур.
