УСТРОЙСТВО ДЛЯ АДАПТИВНОГО ОБОГРЕВА КРИОГЕННОГО АППАРАТА Российский патент 2016 года по МПК H05B1/02 

Устройство относится к области криогенной техники и предназначено для обогрева регулирующих аппаратов, используемых в криогенных технологиях.

Аналогом предлагаемого устройства является устройство для перекачки сжиженного газа, в частности регулирующего клапана, содержащее закрепленный в кожухе криогенной емкости полый корпус, внутри которого размещен подвижный вдоль корпуса шток, связанный одним концом с выходом привода перемещения штока, а другим - с тарелкой клапана, изменяющего проходное сечение трубопровода, по которому протекает сжиженный газ (Беляков В.П. Криогенная техника и технология, М.: Энергоатомиздат, 1982, с. 52-54).

Недостатком данного устройства является то, что при изменении температуры и влажности окружающей среды элементы регулирующего аппарата, находящиеся снаружи криогенной емкости, обледеневают. При низких температурах и повышенной влажности воздуха лед образуется не только на наружных поверхностях аппарата, но и в опорах, по которым перемещаются подвижные элементы аппарата. Это вызывает заклинивание подвижных элементов аппарата и может привести к потере его работоспособности, вплоть до выхода из строя. Этот недостаток особенно ярко проявляется после длительной эксплуатации криогенной установки.

Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, состоит в обеспечении желаемого распределения температур элементов аппарата по всей его длине, при котором исключается образование наледи и заклинивание подвижных соединений.

Наиболее близким аналогом (прототипом) является устройство, содержащее размещенный вблизи обогреваемого аппарата электрический нагреватель, подключенный к выходу регулятора напряжения, соединенного входом с выходом регулирующего устройства, первый вход которого связан с задатчиком температуры обогреваемого аппарата, а второй - с выходом датчика температуры обогреваемого аппарата, содержащее размещенный вблизи обогреваемого аппарата электрический нагреватель, подключенный к выходу регулятора напряжения, соединенного входом с выходом регулирующего устройства, первый вход которого связан с задатчиком температуры обогреваемого аппарата, а второй - с выходом датчика температуры обогреваемого аппарата (патент РФ №2521102, МПК H05B 1/02, опубл. 27.06.2014).

Недостатком данного устройства является то, что при изменении температуры и влажности окружающей среды поддержание постоянной температуры обогреваемого аппарата, осуществляемого регулятором температуры, используемым в указанном устройстве, не обеспечивает надежной его работы при изменении температуры окружающей среды в широком диапазоне. Так, например, при настройке регулятора температуры на отрицательную температуру окружающей среды повышение последней до плюсовых значений будет приводить к перегреву обогреваемого элемента, что будет приводить к увеличению зазоров в подвижных элементах аппарата и утечке сжиженного газа. Это приводит к необходимости изменения задания температуры при изменении температуры и влажности окружающей среды.

Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, состоит в обеспечении требуемой для надежного функционирования криогенного аппарата температуры при изменении температуры и влажности окружающей среды в широком диапазоне, автоматическое регулирование которой исключает образование наледи и заклинивание подвижных соединений элементов аппарата, а также чрезмерное увеличение зазоров, приводящее к утечке сжиженного газа.

Технический эффект, заключающийся в обеспечении бесперебойного режима работы криогенного оборудования, достигается тем, что в известное устройство, содержащее размещенный вблизи обогреваемого элемента аппарата электрический нагреватель, подключенный к выходу регулятора напряжения, соединенного входом с выходом регулирующего устройства, первый вход которого связан с задатчиком температуры обогреваемого аппарата, а второй - с выходом датчика температуры обогреваемого аппарата, введены датчик температуры окружающей среды, функциональный блок и суммирующий элемент, соединенный суммирующим входом с выходом задатчика температуры, а вычитающим входом через функциональный блок - с выходом датчика температуры окружающей среды.

Кроме того, в предлагаемое устройство может быть введены датчик влажности окружающей среды и дополнительный функциональный блок, а суммирующий элемент снабжен третьим суммирующим входом, подключенным к выходу дополнительного функционального блока, соединенного входом с выходом датчика влажности окружающей среды.

Устройство поясняется чертежом, на котором изображена функциональная схема системы для адаптивного регулирования температуры криогенного аппарата.

Устройство для адаптивного обогрева криогенного регулирующего аппарата содержит размещенный вблизи обогреваемого элемента аппарата электрический нагреватель 1, подключенный к выходу регулятора напряжения 2, соединенного входом с выходом регулирующего устройства 3, первый вход которого подключен к выходу суммирующего элемента 4, а второй вход - к выходу датчика 5 температуры обогреваемого аппарата. Задатчик 6 температуры Θ_а обогреваемого аппарата подключен к первому суммирующему входу суммирующего элемента 4, второй вычитающий вход которого соединен с выходом датчика 7 температуры Θ_о окружающей среды через функциональный блок 8. Третий суммирующий вход суммирующего элемента 4 связан через дополнительный функциональный блок 9 с выходом датчика 10 влажности окружающей среды.

Устройство работает следующим образом. В работающей криогенной установке сжиженный газ имеет температуру, лежащую в диапазоне -130--180°C, в то время как температура наружного воздуха (окружающей среды) может колебаться от -40 до +40°C. При плюсовых температурах окружающей среды и низкой влажности наружного воздуха обледенения трущихся деталей аппарата, как правило, не происходит. Однако при увеличении влажности воздуха и понижении температуры окружающей среды происходит обледенение подвижных элементов аппарата как внутри его корпуса, так и снаружи. Для обеспечения работоспособности регулирующего аппарата при изменении температуры окружающей среды на его корпусе устанавливают электрический нагревательный элемент 1. Электрический нагревательный элемент 1 может быть выполнен в виде резистивного элемента, как показано в устройстве, описанном в указанном выше патенте РФ №2521102, или в виде индукционного нагревателя, описанного в патенте РФ на полезную модель №144886. Предлагаемая структура устройства инвариантна относительно вида электрического нагревателя и его конструктивного выполнения и является универсальной для обогрева криогенных аппаратов.

Для поддержания требуемой температуры обогреваемого аппарата (на чертеже не показан) в устройстве используются регулятор напряжения 2, задатчик температуры обогреваемого аппарата 6, датчик 5 температуры Θ_а обогреваемого аппарата и регулирующее устройство 3. Для обеспечения работоспособности аппарата при изменении температуры окружающей среды Θ_о необходимо регулировать мощность, поступающую на электрический нагреватель 1, поддерживая, тем самым, заданную температуру Θ_а обогреваемого аппарата. Поддержание заданной температуры Θ_а обогреваемого аппарата осуществляется системой регулирования температуры, включающей в себя регулятор напряжения 2, датчик температуры 5 и регулирующее устройство 3. Регулирующее устройство 3 сравнивает сигнал Θ_з, поступающий от задатчика температуры 6, с сигналом Θ_а обратной связи, поступающим от датчика температуры 5, расположенного на корпусе обогреваемого аппарата. На выходе регулирующего устройства 3 вырабатывается сигнал, пропорциональный разности температур ΔΘ=Θ_з-Θ_а, который обеспечивает регулирование мощности, поступающей от регулятора напряжения 2 в электрический нагреватель 1. Как следует из приведенного выражения, изменение температуры Θ_а корпуса обогреваемого аппарата при изменении температуры окружающей среды будет приводить к изменению мощности, поступающей в электрический нагреватель 1 и, следовательно, будет приводить к восстановлению заданного температурного режима аппарата.

Поддержание неизменной заданной температуры Θ_з при изменении температуры Θ_о и влажности В окружающего воздуха в широком диапазоне не обеспечивает требуемых условий обогрева аппарата. Как правило, выбор заданного значения температуры Θ_з производится для каких-то усредненных значений параметров окружающей среды. Учитывая трудность и большую погрешность в определении теплотехнических параметров обогреваемого аппарата и электрического нагревателя, рассчитать значение заданной температуры Θ_з, требуемое для обеспечения работоспособности аппарата, практически невозможно. Поэтому чаще всего оператору необходимо производить перенастройку регулятора температуры при значительных изменениях температуры и влажности окружающего воздуха. В противном случае работа с постоянным значением температуры задания, т.е. при Θ_з=const, будет приводить к перегреву обогреваемого аппарата при высоких температурах окружающей среды и влажности, а при низких температурах - к обледенению аппарата из-за недостаточной мощности, вводимой в электрический нагреватель.

Для автоматического изменения заданного значения температуры обогреваемого аппарата при изменении параметров окружающей среды в предлагаемое устройство вводят один или два контура адаптации, которые могут быть использованы как раздельно, так и совместно.

Контур адаптации к изменению температуры окружающей среды включает в себя функциональный блок 8 и датчик 7 температуры Θ_з окружающего воздуха. При этом суммирующий элемент 4 дополняют вычитающим входом, к которому подключают выход функционального блока 8, соединенного входом с выходом датчика 7 температуры окружающей среды. Функциональный блок 8 представляет собой усилитель с нелинейной характеристикой, выполненный по известным схемам. Использование в предлагаемом устройстве функционального блока с нелинейной характеристикой вход-выход вызвано нелинейной зависимостью требуемого изменения заданного значения температуры Θ_з при изменении температуры окружающего воздуха. Работа контура адаптации заключается в том, что при увеличении температуры окружающего воздуха заданное значение температуры Θ_з уменьшается, поскольку сигнал с выхода функционального блока 8, имеющий положительное значение, поступает на вычитающий вход сумматора 4, приводя к снижению мощности регулятора напряжения 2. При низкой температуре окружающей среды на выходе функционального блока 8 вырабатывается отрицательный сигнал, который, поступая на вычитающий вход сумматора 4, приводит к увеличению заданного значения температуры Θ_з и, следовательно, к увеличению мощности, поступающей в электрический нагреватель.

Контур адаптации к изменению влажности В окружающей среды включает в себя дополнительный функциональный блок 9, аналогичный блоку 8, и датчик 10 влажности В окружающего воздуха. При этом суммирующий элемент 4 снабжают третьим суммирующим входом, соединенным через дополнительный функциональный блок 9 с выходом датчика влажности 10. Работа контура адаптации к изменению влажности В окружающего воздуха аналогична рассмотренной выше работе контура адаптации к изменению температуры окружающей среды. Поскольку сигнал, пропорциональный влажности В окружающего воздуха, не изменяет знак в отличие от сигнала, пропорционального температуре окружающей среды, то он, поступая на суммирующий вход суммирующего элемента, будет только увеличивать заданное значение температуры обогреваемого аппарата при увеличении влажности.

В настоящее время регулятор напряжения 2 выполняется на тиристорах и выпускается серийно, например, в виде твердотельного реле типа ТТР. Регулирующее устройство 3 выполняется, как правило, в виде серийно выпускаемого программируемого микропроцессорного контроллера, в котором оператором задается на дисплее требуемая температура Θ_з. В качестве датчиков температуры обогреваемого аппарата и окружающего воздуха целесообразно использовать стандартную термопару, например хромель-копелевую. Датчик влажности воздуха также выпускается серийно. Функциональные блоки 8 и 9, как уже отмечалось выше, выполняются на операционных усилителях по известным схемам. Таким образом, реализация регулятора температуры не вызывает трудностей и выполняется на серийных покупных элементах.

Устройство для адаптивного обогрева криогенного аппарата, например регулирующего клапана, содержащее размещенный вблизи обогреваемого аппарата электрический нагреватель 1, подключенный к выходу регулятора напряжения 2, соединенного входом с выходом регулирующего устройства 3, первый вход которого связан с выходом задатчика 6 температуры обогреваемого аппарата через суммирующий элемент 4, а второй - с выходом датчика 5 температуры обогреваемого аппарата. Датчик 7 температуры окружающей среды подключен к входу функционального блока 8, выход которого соединен со вторым вычитающим входом суммирующего элемента 4, соединенного первым суммирующим входом с выходом задатчика 6 температуры окружающей среды. Изобретение обеспечивает поддержание требуемой температуры для надежного функционирования криогенного аппарата при изменении температуры и влажности окружающей среды в широком диапазоне. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство для адаптивного обогрева криогенного аппарата, например регулирующего клапана, содержащее размещенный вблизи обогреваемого аппарата электрический нагреватель, подключенный к выходу регулятора напряжения, соединенного входом с выходом регулирующего устройства, первый вход которого связан с задатчиком температуры обогреваемого аппарата, а второй - с выходом датчика температуры обогреваемого аппарата, отличающееся тем, что введены датчик температуры окружающей среды, функциональный блок и суммирующий элемент, соединенный первым суммирующим входом с выходом задатчика температуры, а вторым вычитающим входом через функциональный блок - с выходом датчика температуры окружающей среды.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что введены датчик влажности окружающей среды и второй функциональный блок, а суммирующий элемент снабжен третьим суммирующим входом, подключенным через дополнительный функциональный блок к выходу датчика влажности.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что функциональный блок и дополнительный функциональный блок выполнены в виде усилителя с нелинейной характеристикой.