Регулятор с использованием тепловой энергии Советский патент 1992 года по МПК G05D23/00 G05B11/00 

w

6

Изобретение относится к автоматическому регулированию, является дополнительным изобретением к изобретению по авт.св. № 1711115 и может использоваться в теплоэнергетике. Цель изобретения улучшение функциональных характеристик регулятора. Цель достигается за счет того, что регулятор содержит третий дополнительный кондуктор, который соединен через теплоизоляционную прокладку с первым дополнительным кондуктором, причем указанные кондукторы непосредственно контактируют с наружной теплоизоляционной прокладкой первой теплоизолированной газовой камеры, при этом все теплоизоляционные прокладки первой и второй теплоизолированных газовых камер выполнены из одинакового материала в виде теплопро- водников, которые соединены между собой через калиброванное тепловое сопротивление. 2 ил.

Изобретение относится к автоматическому регулированию, может быть использоваться в теплоэнергетике и является дополнительным изобретением к изобретению по авт.св. № 1711115.

Цель изобретения - улучшение функциональных характеристик регулятора.

На фиг.1 показан исполнительный механизм (ИМ) регулятора; на фиг.2 - конструкция и кинематическая схема регулятора.

Регулятор является регулятором пропорционально-интегрального действия (ПИ- регулятор) и содержит ИМ (фиг.1). включающий стержень 1 с теплоизоляцией 2 боковой поверхности, кроме торца 3. Стержень 1 связан с источником тепловой энергии через тепловую шину 4. Цилиндрическая камера 5, закрепленная на основании 6, и выполненная как одно целое с ребрами 7 охлаждения, своим нижним основанием связана с сильфоном 8. Цилиндрическая камера 5 с сильфоном 8 частично заполнены жидкостью 9. В обьеме цилиндрической камеры 5 над жидкостью 9 находится объем 10 паровоздушной смеси. Вертикальное положение стержня 1 в цилиндрической камере 5 фиксируется с помощью муфты 11 и упорного винта 12. Внутри корпуса 13, выполненного как продолжение нижних ребер 7 охлаждения, размещен кроме сильфона рабочий элемент 14, выполненный в виде гибкого штока. Внутри цилиндрической камеры

4 VI

N OJ

«д

О

ю

5 к нижнему основанию сильфона 8 прикреплена вставка 15 (припаяна, приклеена) с постоянным объемом. Нижняя часть корпуса 13 содержит гайку 16. между гайкой 16 и сильфоном 8 размещена пружина 17.

Входная часть регулятора состоит из измерителя 18 регулируемой величины Хк связанного с регулятором через теплоизолированный стержень 19 (фиг.2), на конце которого закреплен кондуктор 20 элемента сравнения. Задатчик, элемент сравнения и усилитель содержат две одинаковые и прилегающие друг к другу замкнутые газовые полости 21, 22 в виде параллелепипедов, боковая поверхность которых покрыта теп- лоизоляцией 23. Газовые полости 21, 22 с левой стороны контактируют с тепловой шиной 24 через кондуктор 20, а с правой стороны они теплоизолированы и находятся в скользящем контакте с изолирующей стен- кой 25. Внешние стороны шины 24 покрыты теплоизоляцией 25. Газовые полости 21 закреплены на вертикальной платформе 26. Платформа 26 снабжена указателем 27 задания регулируемой величины Х3д по шкале 28. Тепловая шина 24 закреплена на опорном элементе 29 корпуса регулятора. Газовые полости 21, 22 через гибкие газовые каналы 30, 31 связаны с исполнительными сильфонами32,33, закрепленными на опор- ных элементах 34, 35 корпуса регулятора.

Выходная часть регулятора состоит из ИМ 1-17, связанного через гибкий шток 14 с преобразователем 36-44 возвратно-поступательного движения во вращательное (фиг.2).

Преобразователь возвратно-поступательного движения во вращательное содержит собачку 36 на гибком штоке 14, храповые колеса 37, 38, ведущие шестерни 39, 40, ведомую шестерню 41, валы 42, 43,

44вращения, Входной вал 44 вращения связан с преобразователем 45-452 вращательного движения в линейное.

Преобразователь вращательного дви- жения в линейное содержит ведущее зубчатое колесо 45 и подпятник 46 за колесом 45 на валу 44 вращения. На выступе вала 44 вращения после подпятника 46 закреплена поворотная серьга 47. Противоположный конец серьги 47 содержит отверстие с осью 48 ведомого зубчатого колеса 49. Ведущее

45и ведомое 49 зубчатые колеса содержат соответственно ведущий 50 и ведомый 51 шкивы, связан ные гибкой передачей 52, Be- домое зубчатое колесо 49 входит в зацепление с рейкой 53 отрицательной обратной связи. Ведущее зубчатое колесо 45 через выходную рейку 54 связано с регулирующим органом 55 в трубопроводе 56.

Звено отрицательной обратной связи содержит замкнутую газовую полость, разделенную изолятором 57 на две одинаковые теплоизолированные газовые камеры, соответственно вторую 58 и первую 59, включенные по дифференциальной схеме с сильфонами 60, 61 обратной связи через гибкие газовые каналы 62, 63. Торцы камер 58, 59 ограничены теплопроводными прокладками 64, 65, которые выполнены из одинакового материала и соединены через тепловое сопротивление 66, причем наружная теплопроводная прокладка первой камеры контактирует с первым дополнительным кондуктором 67 для подвода тепла и третьим дополнительным кондуктором 68 для отвода тепла. Между кондукторами 67, 68 и с верхней стороны кондуктора 67 расположена теплоизоляционная прокладка 69. Кондуктор 68 выполнен с ребрами 70 охлаждения. С правой стороны кондуктор 67 контактирует с концентратом 71 тепла, связанным с тепловой шиной 72 через подвижный второй дополнительный кондуктор 73. Кондуктор 67 закреплен на рейке 53 обратной связи с помощью упорного винта 74. Подвижный кондуктор 73 содержит указатель 75 шкалы 76 с отметками значений коэффициента усиления Кр. Все части газовых камер 58, 59, поверхности концентратора 71 тепла и тепловой шины 72, кроме мест их контакта, покрыты соответственно теплоизоляцией 57,77, 78. Газовая полость 58-59, концентратор 71 тепла, тепловая шина 72 соответственно закреплены на опорных элементах 79, 80 регулятора.

Нагрев соответствующих тепломеханических элементов в регуляторе осуществляется с помощью подводимых по шинам тепловых потоков q0r охлаждение тех же элементов - через тепловой контакт с окружающей средой (холодильник).

Работает ИМ (фиг.1) следующим образом.

С помощью муфты 11, упорного винта 12, а также пружины 17 и вставки 15 устанавливают требуемую величину заглубления стержня 1 в жидкости 9. Тем самым задают требуемую частоту возвратно-поступательных движений гибкого штока 14, т.е. заданное быстродействие ИМ 1-17.

Тепло, полученное стержнем 1 от источника тепловой энергии, через тепловую шину 4 идет на увеличение теплосодержания стержня 1 и передачу тепла через торец 3 к жидкости 9. Эффективный прогрев жидкости 9 в районе торца 3 приводит к ее испарению и нагреву пара в объеме 10. В результате давление пара в объеме 10 над жидкостью 9 увеличивается и под его воздействием уровень жидкости 9 начинает уходить вниз, удаляясь от торца 3. благодаря этому растягиванию сильфон 8, совершая перемещение A Y. Вместе с торцом сильфона 8 движется вниз и гибкий шток 14. При этом пружина 17 сжимается, Так как у пара незначительный коэффициент теплопроводности, то молекулы па ра эффективно на- греваются лишь у сечения торца 3. Вследствие этого у основной массы пара начинается конденсация в обьеме камеры 5. Тогда давление пара в объеме 10 уменьшается и под действием пружины 17 сильфон 8 сжимается, перемещая вверх гибкой шток 14. В результате зеркало жидкости 9 зани- мает начальное положение, обеспечив тепловой контакт с торцом 3 стержня 1. жидкость 9, прогреваясь, начинает основа испаряться, и зеркало жидкости 9 уходит вниз. Вместе с этим растягивается сильфон 8, пе- ремещающий вниз гибкий шток 14.

Указанный процесс колебания уровня жидкости 9 в цилиндрической камере 5 периодически повторяется.

Таким образом, на выходе ИМ 1-17 пол- учают возвратно-поступательные движения гибкого штока 14. Это приводит в действие преобразователь 36-44 возвратно-поступательного движения во вращательное,

Возможность перемещения вставки 15 с постоянным обьемом обеспечивает жидкую зависимость между степенью заглубления h стержня 1 в жидкости 9 и величиной сжатия пружины 17, определяемой вращением гайки 16. Это позволяет точно задать оператору требуемую частоту колебаний (возвратно-поступательных движений) гибкого штока 14, т.е. быстродействие ИМ 1-17.

В частности, чем больше степень ежа- тия пружины 17, тем больше величина заглубления h стержня 1 в жидкости 9 и тем большему количеству жидкости 9 стержень 1 отдает тепло. На прогрев и испарение жидкости 9 в этом случае тратится больше времени, что снижает частоту пульсаций гибкого штока 14, а значит, и быстродействие Им 1-17, При малых заглублениях h стержня 1 в жидкость 9, достигаемых за счет перемещения гайки 16 вниз, скорость на- грева и испарения жидкости увеличивается. Поэтому частота пульсаций стержня, а значит, и быстродействие ИМ 1-17 также увеличивается.

Входная часть (поз. 18-35) регулятора работает следующим образом.

В состоянии равновесия кондуктор 20 элемента сравнения находится в среднем положении между замкнутыми газовыми полостями 21, 22, что означает равную температуру и давление газа в этих полостях и отсутствие регулирующего воздействия, т.е. гибкий шток 14 ИМ 1-17 находится в среднем нейтральном положении (одинаковое усилие со стороны сильфонов 32 и 33 га шток 14) и не входит во взаимодействие с преобразователем 36-44 возвратно-поступательного движения во вращательное.

При отклонении регулируемой величины Х| от задания Хзэ, т.е. при появлении сигнала небаланса АХ Х| - Хз9, в зависимости от знака этого небаланса стержень 19 перемещается вверх или вниз. Здесь регулируемая величина Xi (например, температура) преобразуется в линейное перемещение стержня 19. например, стержень 19 переместился вверх, вместе с ним переместился и кондуктор 20. При этом увеличивается площадь контакта кондуктора 20 с полостью 21 и уменьшается площадь контакта кондуктора 20 с полостью 22. Поскольку полости 21, 23 нагреваются через кондуктор 20, то температура и давление газа в полости 21 увеличиваются по сравнению с температурой и давлением газа в полости 22. Это вызывает увеличение объема исполнительного сильфона 33 по сравнению с объемом сильфона 32. Свободный торец сильфона 33 перемещается влево. Это ведет к тому, что непрерывно совершающий возвратно-поступательные движения гибкий шток 14 перемещается влево и входит в зацепление с храповым колесом 37, что приводит в действие преобразователь 36-44.

Работает преобразователь 36-44 возвратно-поступательного движения во вращательное следующим образом.

В зависимости от знака сигнала небаланса АХ возвратно-поступатепьное движение гибкого штока 14 с собачкой 36 сообщает вращательное движение одному из храповых колес 37, 38 (допустим храповому колесу 37). Собачка 36 поворачивает храповое колесо 37 с валом 42 и шестерней 39 на число зубьев, соответствующее числу импульсов перемещений гибкого штока 14. В зависимости от знака сигнала небаланса АХ ведомая шестерня 41 вращается в ту или иную сторону (в рассматриваемом случае по часовой стрелке). Это приводит в действие преобразователь 45-52 движения.

При вращении по часовой стрелке вала 44 вращаются в эту же сторону ведущее зубчатое 45 и ведущий шккв 50. Вращение ведущего шкива 50 через гибкую передачу 52 передается ведомому шкиву 51 и ведомому зубчатому колесу 49, которые также начинают вращаться по часовой стрелке. Благодаря этому начнет перемещаться вниз рейка 53. Вращение ведущего зубчатого колеса 45 по часовой стрелке преобразуется в перемещение влево рейки 54, что приводит к закрытию проходного сечения трубопровода 56 регулирующим органом 55, т.е. к выработке регулирующего воздействия Хвых.

Работа, регулятора, и в частности цепи обратной связи, сводится к следующему.

Допустим, что в исходный момент времени (момент равновесия) площадь контакта теплопроводника 64 с кондуктором 67 для подвода тепла и соответствующая площадь контакта с кондуктором 68 для отвода тепла равны, что обуславливает одинаковую температуру теплопроводников 64, 65 и, следовательно, одинаковые значения температуры и давления газа в объемах камер 58, 59 (рассматриваемый режим соответствует 50%-ному открыванию заслонки 55 в трубопроводе 56).

Тепло от шины 72 идет через подвижный кондуктор 73, концентратор 71 тепла и кондуктор 67 для подвода тепла на нагрев теплопроводников 64,65.

В динамике для рассматриваемого случая отклонения АХ рейка 53 перемещается вниз и вместе с ней движутся кондукторы 67, 68. В результате это го площадь контакта теплопроводника 64 с кондуктором 67 для подвода тепла увеличивается и уменьшается соответствующая площадь контакта с кондуктором 68 для отвода тепла, Так как теплопроводники 64, 65 разделены между собой калиброванным тепловым сопротивлением 66 и площади контакта теплопроводника 64 с кондукторами 67, 68 не равны между собой, то температура теплопроводника 64 увеличивается по сравнению с температурой теплопроводника 65. В результате 59 по сравнению с температурой и давлением газа в камере 58. Появление разности температур и давлений газа в обь- ем камер 58, 59 ведет к тому, что давление газа в сильфоне 60 и, следовательно, усилие, развиваемое им, становятся больше, чем давление газа в сильфоне 61 и усилие, развиваемое этим сильфоном,

Однако указанные изменения температуры и давления газа в объемах камер 58,59, а следовательно, и давления газа в сильфо- нах 60 и 61 происходят не мгновенно (после перемещения кондукторов 67, 68). Они происходят спустя некоторое время Тос Кр Ти, равное постоянной времени звена обратной связи и зависящее от величины теплового потока (тепловой мощности), поступающего от шины 72 и регулируемого

с помощью кондуктора 73 перемещаем его относительно шкалы 76 (т.е. выставлением определенного значения коэффициента передачи регулятора Кр по шкале)

5 и от быстродействия ИМ 1-17, определяемого величиной постоянной времени интегрирования Тц. Орган настройки - постоянная времени интегрирования Ти выставляется оператором изменения степени

0 сжатия пружины 17, т.е. вращением гайки

5 тем быстрее перемещаются в результате этого кондукторы 67, 68 от среднего положения (положения равновесия, ХВых(т.) 0), связанного с гибким штоком 14 через преобразователи 36-44, 45-52 движения и рей0 ку 53, Благодаря этому быстрее происходит нарушение равенства температур тепло- проводников 64,65, а следовательно, температур и давлений газа в объемах камер 58, 59 и перемещение в рассматриваемом слу5 чае сильфона 60 вправо в сторону удаления гибкого штока 14 от храпового колеса 37, Таким образом, отключающая обратная связь срабатывает тем быстрее, чем больше величина Ти, т.е. меньше степень сжатия

0 пружины 17. Это значит, что под действием ошибки рассогласования ДХ и превалирующего усилия сильфона 33 гибкий шток 14 с собачкой 36 меньше находится в зацеплении с храповым колесом 37 и вращается вал

5 44. Тем самым увеличивается быстродействие регулятора.

Уменьшение величины достигается путем увеличения степени сжатия пружины

17,т.е. уменьшением частоты пульсаций 0 гибкого штока 14. Физически это означает, что чем меньше быстродействие ИМ 1-17, т.е. чем меньше постоянная времени Тос Кр Ти, тем медленнее перемещаются кондукторы 67-68, тем позже

5 прогревается в просматриваемом случае газ в камере 59 и позже происходит увеличение давления газа в этой камере и перемещение сильфона 60 вправо, в сторону удаления гибкого штока 14 от храпового колеса 37.

0 Таким образом, отключающая обратная связь срабатывает тем позже, чем меньше значение Ти и чем больше регулирующее воздействие ХВых(т) за время существования ошибки ДХ(т.}. Тем самым уменьшается бы5 стродействие регулятора.

Новое установившееся состояние (положение равновесия) наступает в системе, когда регулирующее воздействие на гибкий шток 14 со стороны сильфонов 60, 61 цепи

обратной связи уравновешивается результирующим действием на шток 14 сильфонов 32 и 33 пропорциональной (входной)части регулятора. В положении равновесия шток 14 занимает нейтральное положение, вал 44 и рейки 53, 54 неподвижны, В положении равновесия в системе текущее значение регулируемой величины Х| равно заданию Хзд.

Таким образом, в предложенном регуляторе отсутствует статическая ошибка. Объясняется это следующим образом. Так как между теплопроводниками 64, 65 существует тепловое калиброванное сопротивление 66, то при любом положении кондукторов 67, 68 относительно теплопро- водника 64, т.е. при любом соотношении между площадями кондукторов 67, 68 с теплопроводниками 64. происходит с течением времени выравнивание температур тепло- проводников 64, 65, а следовательно, температур и давлений газа в объемах камер 58, 59, а также усилий, развиваемых силь- фонами 60, 61. Это позволяет поддействи- ем остаточной ошибки на входе регулятора Х| - Хзд 0 гибкому штоку 14 опять войти в зацепление с одним из храповых колес 37, 38 (определяемых знаком ошибки). Таким образом, процесс отработки регулятором отклонения регулируемой величины Xi от задания Х3д продолжается до тех пор, пока величина Xi не станет равной Х3д и кондуктор 20 обязательно займет среднее положение между полостями 21, 22, т.е. когда температура и давление газа в этих полостях станут одинаковыми и, следовательно, усилия, развиваемые сильфонами 32, 33.

В предлагаемой конструкции регулятора уменьшение уровня сигнала обратной связи достигается за счет уменьшения теплового потока (тепловой мощности), поступающего от тепловой шины 72 в конденсатор 71. и, следовательно, в кондуктор 67, теплопроводники 64, 65 и затем в газовые объемы камер 58,59. Уровень этого теплового потока устанавливается с помощью подвижного кондуктора 73. В частности, уменьшение этого теплового потока достигается выводом кондуктора 73 из зазора между элементами 71 и 72. Вследствие этого понижается температурный уровень в газовых камерах 58, 59 и снижается

разность давлений газа в этих камерах, что обуславливает небольшое результирующее усилие, развиваемое сильфонами 60, 61 при их воздействии на гибкий шток 14.

По указанной причине равновесие в системе достигается при таком же небольшом результирующем оппозитном усилии со стороны сильфонов 32 и 33, воздействующих на шток 14. Последнее означает, что требуется

(или устанавливается) небольшая разность давления газа в полостях 21, 22, чтобы развивать это малое усилие с помощью сильфонов 32, 33, Это возможно, если текущее значение Xi ненамного отличается от

Х3д, т.е. при незначительном отклонении кондуктора 20 относительно разделительной стенки - изолятора 23 между полостями 21,22.

Иными словами, перемещая кондуктор

73 вверх, увеличивают наклон статической характеристики пропорционально-интегрального регулятора, увеличивают Кр и, наоборот, перемещая кондуктор 73 вниз, уменьшают наклон статической характеристики и величину Кр.

Формула изобретения

Регулятор с использованием тепловой

энергии по авт.св. № 1711115, о т л и ч а ю- щ и и с я тем, что, с целью улучшения функциональных характеристик регулятора, он содержит третий дополнительный кондуктор, который соединен через теплоизоляционную вставку с первым дополнительным кондуктором и снабжен ребрами охлаждения, все теплопроводные прокладки обеих теплоизолированных газовых камер выполнены из одинакового материала, при

этом наружная теплопроводная прокладка первой из этих камер контактно связана в первым и третьим дополнительными кондукторами непосредственно, а наружная теплопроводная прокладка второй из

этих камер контактно связана с первым и третьим дополнительными кондукторами через теплопроводные прокладки первой теплоизолированной газовой камеры, которые соединены с теплопроводными прокладками второй теплоизолированной газовой камеры через калиброванное тепловое сопротивление.

Фиал

«MM-.

я/

%г.2