Система управления температурой жидкости.

Система управления температурой жидкости содержит два комплекта элементов управления температурой, расположенных противоположно друг другу и образующих между ними зону управления температурой. Трубопроводная система в зоне управления температурой образует единый путь потока жидкости, который может иметь чередующиеся первый и второй участки жидкости. Один или несколько первых участков расположены вблизи первого комплекта и имеют теплопроводную связь с ним, а один или несколько вторых участков расположены вблизи второго комплекта и имеют теплопроводную связь с ним. Система управления температурой может быть использована в качестве модуля охлаждения или нагревания жидкости в устройстве или системе выдачи холодной жидкости, например питьевой воды, или устройстве выдачи другого напитка. Использование данной группы изобретений позволяет повысить эффективность охлаждения

Область техники, к которой относится изобретение.

Данное изобретение относится к управлению температурой, например к системе охлаждения жидкости, полезной, например, в устройстве выдачи напитков, например охлажденной питьевой воды.

Предпосылки создания изобретения.

В публикации WO1997007369 описан охлаждающий блок, пригодный для автомата по продаже безалкогольных напитков или сходного устройства выдачи жидкости, компактный и способный достаточно быстро охлаждать жидкость, чтобы быть пригодным в устройстве с управлением по требованию, и при этом не охлаждающий ее до реального замерзания. Это предполагает использование охлаждающей системы, в которой применено сочетание теплового насоса (обычно устройства с эффектом Пельтье) с производительностью, согласованной с тепловыми характеристиками и нужной пропускной способностью выдаваемой жидкости вместе с окружающей средой непосредственного охлаждения в виде материала с изменяющейся жидкостно-твердотельной фазой, функционирующего в нужном температурном диапазоне (который обычно будет составлять от несколько более 0°C до приблизительно +5°C). Это значительно снижает возможность переохлаждения жидкости. Во-вторых, используется термочувствительное переключающее устройство, например термистор, находящийся в тепловой связи с материалом с изменяющейся жидкой или твердой фазой и функционально связанный с тепловым насосом для эффективного включения или выключения насоса, при возникновении необходимости.

Сущность изобретения.

Изобретение обеспечивает систему управления температурой жидкости. Система содержит два комплекта элементов управления температурой, при этом каждый комплект содержит один или несколько таких элементов, расположенных противоположно друг другу и образующих между ними зону управления температурой. Трубопроводная система в зоне управления температурой образует путь потока жидкости, который имеет один или несколько первых участков, находящихся вблизи одного из двух комплектов и имеющих с ним теплопроводную связь, и один или несколько вторых участков, находящихся вблизи другого из двух комплектов и имеющих с ним теплопроводную связь. Система управления температурой может быть использована в качестве модуля управления температурой жидкости в терморегулируемом устройстве или системе выдачи жидкости, например устройстве выдачи питьевой воды или устройстве выдачи другого напитка.

Одним из вариантов осуществления изобретения предложена система управления температурой жидкости для охлаждения или нагревания жидкости при ее протекании через систему. Поток жидкости может протекать от источника к выходу или же может циркулировать из резервуара и обратно в резервуар, который содержит объем терморегулируемой жидкости, охлажденной либо нагретой для дальнейшего использования. Согласно предпочтительному варианту осуществления жидкость представляет собой питьевую воду, выдаваемую из выхода выдачи. Система управления температурой может быть встроена, например, в аппараты или устройства выдачи питьевой воды. Система управления температурой изобретения имеет конструктивные признаки, которые улучшают эффективность управления температурой жидкости. Такие признаки содержат змеевидный путь потока жидкости через зону управления температурой и имеют одни участки, которые находятся в теплопроводной связи с одним комплектом элементов управления температурой, и другие участки в теплопроводной связи с другим комплектом элементов управления температурой.

Использованный здесь термин "управление температурой" относится к нагреванию или охлаждению.

Система управления температурой жидкости согласно одному варианту осуществления изобретения содержит первый комплект из одного или нескольких элементов управления температурой, расположенный противоположно второму комплекту из одного или нескольких элементов управления температурой. Эти два комплекта образуют между ними зону управления температурой, в которой расположена трубопроводная система, образующая путь потока жидкости, который имеет один или несколько первых участков, находящихся вблизи от первых элементов и имеющих с ними теплопроводную связь, и один или несколько вторых участков, находящихся вблизи от вторых элементов и имеющих с ними теплопроводную связь.

В некоторых вариантах осуществления изобретения трубопроводная система образует единый путь потока жидкости через зону управления температурой, проходящий от входа жидкости до выхода жидкости. В других вариантах осуществления трубопроводная система образует два или более путей потока жидкости, соединяющих вход и выход жидкости. В некоторых вариантах осуществления изобретения путь потока жидкости имеет змеевидную геометрию.

Термин "элемент управления температурой" использован здесь для обозначения элемента, который может переносить тепло или холод, либо локально выработанный в элементе, например в элементе Пельтье, либо тепло или холод, перенесенный от блока нагревания или охлаждения, например, посредством циркулирующей теплопередающей текучей среды.

В некоторых вариантах осуществления система управления температурой жидкости согласно изобретению предназначена для охлаждения жидкости. Система согласно данному варианту осуществления будет обозначена как "система охлаждения жидкости". В других вариантах осуществления система управления температурой жидкости представляет собой систему нагревания жидкости, предназначенную для нагревания жидкости. В прочих других вариантах осуществления система согласно изобретению может представлять собой гибридную систему нагревания/охлаждения жидкости, которая может переходить из охлаждающего режима в нагревательный режим.

Термин "зона управления температурой" использован здесь для обозначения зоны, которая образована элементами управления температурой, и которую, таким образом, нагревают или охлаждают. По бокам зоны управления температурой или вокруг нее могут располагаться элементы управления подогревом.

В контексте варианта осуществления системы охлаждения жидкости элемент управления температурой и зона управления температурой могут быть обозначены как "охлаждающий элемент" и "охлаждающая зона" соответственно.

Термин "трубопроводная система" использован здесь для обозначения, в частности, системы трубы, каналов или других трубопроводов, являющихся частью пути потока нагреваемой или охлаждаемой жидкости, расположенной в зоне управления температурой. Трубопроводная система может состоять из трубных или канавкообразных участков.

Термин "теплопроводная связь" предназначен для обозначения физической связи, обеспечивающей перенос тепла (или холода) между соединенными средами, например между охлаждающим элементом и трубопроводами. Термин "тепловая связь" может также быть периодически использован для обозначения такой теплопередающей связи.

Термины "первая" и "второй" здесь использованы для удобств описания и не имеют какого-либо конструктивного или функционального значения. Комплекты, участки и пр., обозначенные как "первый" и "второй", могут быть одинаковыми или могут быть отличными друг от друга.

Таким образом, система управления температурой согласно изобретению включает в себя трубопроводную систему, нагреваемую или охлаждаемую (в случае необходимости) элементами управления температурой. Трубопроводная система соединена теплопроводной связью с элементами управления температурой, и элементы управления температурой нагревают или охлаждают трубопроводную систему и тем самым меняют температуру протекающей по ней жидкости. Трубопроводная система имеет участки, которые включают в себя одни участки, которые находятся вблизи первого комплекта элементов управления температурой и имеют с ним теплопроводную связь, и другие участки, которые имеют теплопроводную связь со вторым комплектом.

Согласно одному предпочтительному варианту осуществления трубопроводная система выполнена так, что, по меньшей мере, некоторые, а иногда все первые и вторые участки поочередно размещены вдоль пути потока жидкости. В результате, охлаждаемая жидкость течет в участке, смежном с первым комплектом элементов, и затем в участке, смежном со вторым комплектом элементов, и так далее.

Согласно одному варианту осуществления изобретения элемент управления температурой представляет собой термоэлектрический охлаждающий элемент, например плоский элемент Пельтье, имеющий противоположные холодные и горячие стороны. Элемент Пельтье может быть использован также в случае с системой нагревания жидкости согласно изобретению, и он пригоден, в частности, для использования в системе охлаждения жидкости согласно изобретению, при этом холодные стороны элемента Пельтье граничат с охлаждающей зоной. Однако изобретение не ограничено использованием таких охлаждающих элементов, и другие охлаждающие приспособления также могут использоваться. В примере другого охлаждающего приспособления использован охлаждающий блок, который охлаждает охлаждающую текучую среду, которую затем подают на упомянутый охлаждающий элемент. Нагревательный элемент, используемый в системе нагревания жидкости согласно изобретению, может, например, представлять собой нагревательный элемент Джоуля (известный также как резистивный нагревательный или омический нагревательный элемент).

В одном варианте осуществления охлаждающая система согласно изобретению содержит первый комплект из одного или нескольких элементов Пельтье, расположенных на одной стороне охлаждающей зоны, а также второй комплект из одного или нескольких элементов Пельтье, расположенных на противоположной стороне охлаждающей зоны. Элементы Пельтье первого комплекта могут быть одинаковыми или могут быть отличными от элементов Пельтье второго комплекта. Кроме того, различные элементы Пельтье в комплекте могут быть одинаковыми или могут быть различными (различной формы или размера, различной мощности и различной холодопроизводительности и т.д.).

Согласно одному варианту осуществления трубопроводная система включает в себя трубы, выполненные из теплопроводного материала, обычно металла, с несколькими участками, проходящими через охлаждающую зону. Система согласно данному варианту осуществления содержит первую группу и вторую группу трубных участков, выполненных из теплопроводного материала. Участки первой группы находятся вблизи элементов управления температурой первого комплекта и имеют с ними теплопроводную связь, а вторая группа находится вблизи от элементов управления температурой второго комплекта и имеет с ними теплопроводную связь.

Термин "трубопровод" относится к трубе или каналу для потока жидкости другого типа с полой внутренней частью, имеющей круглое, эллипсоидное, многоугольное, неправильное или несимметричное или любой другой тип сечения.

Трубопроводы обычно имеют прямоугольное сечение. В одном варианте осуществления трубопроводы сплющены.

Обычно каждый участок охватывает по длине зону управления температурой. Различные участки сообщены друг с другом, в результате чего жидкость систематически течет через зону управления температурой. Путь потока жидкости обычно имеет чередующиеся участки первой группы и участки второй группы, в результате чего на пути потока жидкость течет поочередно через участок, смежный и находящийся в теплопроводной связи с одним комплектом элементов управления температурой, а затем через участок, смежный и находящийся в теплопроводной связи с другим комплектом элементов управления температурой. Согласно одному варианту осуществления концы трубных участков вставлены в один или несколько соединительных элементов, образующих в них пути потока, которые соединяют упомянутые участки, то есть обеспечивают сообщение между участками.

Согласно одному варианту осуществления зона управления температурой включает в себя теплообменную камеру с входом жидкости и выходом жидкости, образованную между первой теплопроводной стенкой, находящейся в теплопроводной связи с первым комплектом элементов управления температурой, второй теплопроводной стенкой, находящейся в теплопроводной связи со вторым комплектом элементов управления температурой, и боковыми стенками. Теплопроводные стенки обычно выполнены из металла. В камере расположена конструкция из каналов, образуя один или несколько непрерывных путей потока, проходящих от входа к выходу. Первая группа из одного или нескольких каналов является смежной с первой стенкой и имеет с ней теплопроводную связь, а вторая группа из одного или нескольких каналов является смежной со второй стенкой и имеет с ней теплопроводную связь.

Для обеспечения такой теплопроводной связи каналы могут быть выполнены так, что одна сторона канала образована участком одной из теплопроводных стенок.

Каналы могут быть выполнены как взаимосвязанные участки трехмерного криволинейного пути потока. В некоторых вариантах осуществления изобретения, по меньшей мере, некоторые каналы первой группы расположены вдоль пути потока попеременно с каналами второй группы.

Согласно одному варианту осуществления каналы образованы разделительными панелями, расположенными в камере.

Теплопроводные стенки обычно являются, по существу, параллельными одна другой. Согласно одному варианту осуществления теплообменная камера содержит главную разделительную панель, расположенную между двумя теплопроводными стенками и проходящую, по существу, параллельно им, таким образом, разделяя камеру на первое отделение, смежное с первой стенкой, и второе отделение, смежное со второй стенкой. Каждое из двух отделений дополнительно разделено вспомогательными панелями, проходящими от главной разделительной панели к теплопроводным стенкам и образующими, по существу, участки U-образного канала с двумя концами. В главных разделительных панелях образованы отверстия для соединения концов участков U-образного канала в первом отделении с концами участков U-образного канала во втором отделении, тем самым образуя путь потока участков U-образного канала от входа к выходу. Соответственно путь потока образован чередующимися участками U-образного канала одного отделения и другого отделения.

В соответствии с изобретением главная разделительная панель, вспомогательные разделительные панели и боковые стенки выполнены из единого блока материала.

В системе охлаждения жидкости согласно изобретению, где элементами управления температурой могут являться один или несколько термоэлектрических элементов, может использоваться теплопоглощающее приспособление для переноса и рассеивания тепла, генерированного упомянутыми элементами. Теплопоглощающее приспособление может содержать замкнутую теплопередающую трубопроводную систему, содержащую охлаждающую текучую среду (которой может быть жидкость или газ), встроенную между теплопоглощающим модулем, находящимся в теплопередающей связи с одним или несколькими термоэлектрическими элементами, и теплорассеивающим модулем. Охлаждающая текучая среда циркулирует между теплопоглощающим модулем и теплорассеивающим модулем и тем самым отводит тепло, генерированное упомянутыми элементами. Теплопоглощающее приспособление может обычно включать в себя два теплопоглощающих модуля, при этом один модуль соединен с первым комплектом охлаждающих термоэлектрических элементов, а другой модуль соединен со вторым комплектом охлаждающих термоэлектрических элементов.

Изобретением также предусмотрено устройство выдачи жидкости (например, напитка или питьевой воды), содержащее упомянутую систему управления температурой. Примером служит устройство выдачи питьевой воды с системой охлаждения жидкости и/или системой нагревания жидкости в соответствии с изобретением. Иногда в одно устройство могут быть включены несколько систем охлаждения и/или нагревания жидкости согласно изобретению, соединенных последовательно, в результате чего охлаждаемая или нагреваемая жидкость последовательно течет в двух или более таких системах, или соединенных параллельными протоками. [3]

2. Структурная схема системы управления, определение передаточной функции исходной замкнутой системы.

Структурная схема системы управления:

рис.2.1.Структурная схема САУ.

Передаточные функции исходной системы управления:

Таблица 2.1. Исходные данные.

№	Вариант	Коэффициенты передачи					Постоянные времени, с					Время регулирования, с<		Перерегулирование %		Запасы устойчивости				Статическая ошибка		Передаточная функция W3(s)
																по фазе, град		по амплитуде, дБ
		К1	К2	К3	К4	Т1		Т2	Т3	Т4	tp
94	В	1,9	4,9	1,4	7,6	0		0.6	0	2	7		30-40		40-50		6-10		0

Коэффициенты передач

Постоянные времени

Передаточные функции

Пропорциональное звено

Инерционное звено

Интегрирующее звено

Инерционное звено

Определение общей передаточной функции для исходной замкнутой цепи при последовательном соединении определяется как произведение всех звеньев системы:

3. Оценка устойчивости исходной системы управления с использованием критериев устойчивости Гурвица, Михайлова и Найквиста.

Алгебраический критерий устойчивости. Критерий Гурвица.

Алгебраический критерий Гурвица позволяет судить об устойчивости системы на основании анализа коэффициентов характеристического уравнения:

Необходимым условием устойчивости является положительность всех коэффициентов характеристического уравнения:

Для нахождения достаточных условий устойчивости из коэффициентов характеристического уравнения составляется определитель Гурвица:

Отчеркивая диагональные миноры, получим определители низшего порядка:

Чтобы система была устойчива, необходимо и достаточно, чтобы все определители имели знаки, одинаковые со знаком первого коэффициента a₀, т.е. при а₀>0 были положительными.[2]

Передаточная функция разомкнутой исходной системы управления:

Определим передаточную функцию замкнутой исходной системы:

Критерий Гурвица позволяет судить об устойчивости системы на основании анализа коэффициентов характеристического уравнения

Для нахождения достаточных условий устойчивости коэффициентов характеристического уравнения составляем определитель Гурвица

Система неустойчива, так как Δ3, Δ2 меньше нуля, Δ1 больше нуля.

Частотный критерий устойчивости Михайлова.

Частотный критерий устойчивости Михайлова основан на использовании характеристического вектора:

или же

Для устойчивости системы необходимо и достаточно, чтобы характеристический вектор A(j) при изменении частотыот 0 доповернулся, нигде не обращаясь в нуль, вокруг начала координат против часовой стрелки на угол,n– порядок характеристического уравнения.[2]

Характеристический многочлен:

Рис.3.1. Годограф Михайлова исходной системы управления.

Система не устойчива, так как годограф Михайлова начинается на вещественной положительной полуоси, но нарушает последовательность обхода квадрантов координатной плоскости против часовой стрелки, нигде не обращаясь в ноль и не пересекается сам с собой.