ТЕРМОРЕГУЛЯТОР ДАВЛЕНИЯ
PRESSURE HEAT CONTROLLER

Область техники, к которой относится изобретение
Настоящее изобретение в целом касается регуляторов давления, а в частности терморегуляторов давления.
Уровень техники
Во многих системах управления процессами применяются регуляторы давления рабочей текучей среды данного процесса. Обычно понижающие регуляторы давления работают таким образом, что поступающая на их входы текучая среда под высоким давлением будет иметь на выходе относительно более низкое регулируемое давление. Таким путем, несмотря на образующееся в нем падение давления, понижающий регулятор давления может обеспечить относительно постоянное выходное давление текучей среды для широкого диапазона выходных нагрузок (т.е., требований к характеристикам потока, емкости и т.п.).
Терморегулятор давления представляет собой понижающий давление регулятор, который также регулирует температуру рабочей текучей среды (например, поддерживает температуру рабочей текучей среды процесса на заданном уровне). Управление температурой рабочей текучей среды процесса предотвращает конденсацию и/или способствует испарению рабочей текучей среды в регуляторе давления по мере снижения давления этой текучей среды между входом и выходом регулятора.
Терморегуляторы давления часто применяются в системах взятия проб текучей среды. Терморегулятор давления можно применять для предварительного нагревания жидкостей, для предотвращения конденсации газов или для испарения жидкостей перед проведением анализа (например, хроматографического анализа). Например, терморегулятор давления можно использовать для нагревания (например, с помощью источника теплоты) подаваемой рабочей текучей среды, содержащей жидкость, которую требуется подвергнуть анализу (например, жидкость, содержащую углеводороды). Или же терморегулятор можно применять для испарения (например, с помощью источника теплоты) поступающей рабочей текучей среды, содержащей пар, который требуется подвергнуть анализу (например, пар, содержащий углеводороды).
Краткое описание чертежей
Фиг.1 - вид в разрезе известного терморегулятора давления.
Фиг.2 - представляет описанный здесь вариант терморегулятора давления.
Фиг.3А - вид в разрезе варианта терморегулятора давления по Фиг.2.
Фиг.3В - другой вид варианта терморегулятора давления по Фиг.2 в разрезе, выполненном по линии 3В-3В согласно Фиг.2.
Фиг.4А - вид сверху варианта нагревательного блока, являющегося деталью представленного на Фиг.2, 3А и 3В варианта терморегулятора.
Фиг.4В - вид сверху варианта нагревательного блока по Фиг.4А.
Фиг.5 - другой вид варианта регулятора по Фиг.2, 3А и 3В.
Фиг.6 - иллюстрирует другой описанный здесь вариант нагревательного блока, который можно применять для исполнения варианта терморегулятора давления по Фиг.2, 3А, 3В и 5.
Фиг.7 - иллюстрирует еще один описанный здесь вариант нагревательного блока, который можно применять для исполнения варианта терморегулятора давления по Фиг.2, 3А, 3В и 5.
Фиг.8 - иллюстрирует другой описанный здесь вариант терморегулятора давления.
Раскрытие изобретения
В одном примере вариант терморегулятора давления содержит корпус регулятора, имеющий вход, соединенный первым проточным каналом с выходом. Нагревательный блок расположен внутри корпуса регулятора и охватывает, по меньшей мере, часть первого проточного канала. Нагревательный блок служит для подачи тепла к рабочей текучей среде по мере прохождения рабочей текучей среды через нагревательный блок по первому проточному каналу, который отделяет рабочую текучую среду от нагревательного блока.
В другом примере нагревательный блок, предназначенный для применения с регулятором давления, содержит корпус, который, по меньшей мере, частично расположен внутри регулятора давления. Этот корпус содержит первое множество отверстий для приема первого проточного канала, отделяющего рабочую текучую среду от корпуса. Корпус приспособлен для приема источника теплоты, подающего тепло к рабочей текучей среде через корпус в процессе прохождения рабочей текучей среды через первое множество отверстий по первому проточному каналу.
А еще в одном примере терморегулятор давления содержит средство для нагревания рабочей текучей среды, проходящей через регулятор давления, а также средство для прохождения текучей среды от входа до выхода регулятора давления. Это средство для прохождения текучей среды отделяет рабочую текучую среду от средства для нагревания. Это средство для прохождения текучей среды, по меньшей мере, частично проходит через средство для нагревания на пути между входом и выходом.
Осуществление изобретения
В типичном случае понижающие терморегуляторы давления для управления температурой рабочей текучей среды используют нагревание водяным паром или электричеством. Рабочая текучая среда нагревается в регуляторе, поскольку при прохождении рабочей текучей среды через регулятор (например, через седло клапана) ее давление существенно падает. Падение давления рабочей текучей среды, согласно эффекту Джоуля-Томсона, приводит к значительной потере тепла (например, к падению температуры) в рабочей текучей среде (например, в газе). Терморегулятор подает тепло в точку падения давления для повышения или поддержания температуры рабочей текучей среды, тем самым предотвращая конденсацию рабочей текучей среды при снижении давления рабочей текучей среды в процессе прохождения ее через регулятор. В других случаях, например, может потребоваться испарить жидкость. В таком случае терморегулятор подает тепло для испарения жидкости при прохождении жидкости через регулятор, что необходимо, например, для проведения анализа данной жидкости в виде ее парообразной пробы.
На Фиг.1 представлен известный существующий вариант понижающего терморегулятора давления 100, применяемый для контроля выходной температуры (заданной температуры) рабочей текучей среды, проходящей через этот регулятор 100. Регулятор 100 содержит корпус 102, имеющий вход 104 и выход 106. Мембрана 108 и орган управления потоком 110 (например, затвор клапана), расположены внутри корпуса 102, образуя входную камеру 112 и камеру давления 114. Мембрана 108 перемещает орган управления потоком 110 по отношению к гнезду клапана 116 для управления давлением рабочей текучей среды на выходе 106. Первый проточный канал 118 связывает по текучей среде вход 104 со входной камерой 112, а второй проточный канал 120 связывает по текучей среде выход 106 с камерой давления 114. Корпус цилиндрической формы 122 соединен (например, резьбовым соединением) с корпусом 102 регулятора 100, образуя нагревательную камеру 124. Нагревательная камера 124 охватывает, по меньшей мере, часть первого и второго проточных каналов 118 и 120. Среда 126, например глицерин (например, глицериновая баня), подается в нагревательную камеру 124 через отверстие 128. Нагреватель 130 (например, патронный нагреватель) располагают внутри камеры 124 для нагревания глицерина. Блок управления 132 (например, электрический блок управления) часто применяют для обеспечения работы нагревателя 130, который нагревает глицерин, с целью, например, управления температурой рабочей текучей среды на выходе 106. По мере повышения температуры глицерина энергия (например, тепловая энергия, теплота) от глицерина передается к рабочей текучей среде через участки первого и второго проточных каналов 118 и 120, которые находятся в глицерине или погружены в него. Как результат, в некоторых случаях повышение тепла приводит к испарению рабочей текучей среды или, в других случаях, предотвращает конденсацию рабочей текучей среды, например, если рабочая текучая среда находится в газообразном или парообразном состоянии.
Однако в существующем регуляторе 100 по Фиг.1 на среду 126 (например, глицерин) может быть наложено ограничение по количеству теплоты, которое она может передать рабочей текучей среде. В частности, например, температура глицерина может быть ограничена максимальной величиной (например, 400°F), чего в некоторых случаях может быть недостаточно для испарения рабочей текучей среды или предотвращения ее конденсации. Кроме того, глицерин в типичном случае доставляет неудобства при обращении с ним и расширяется при нагревании, а следовательно, требует пространства для расширения в камере 124. Как результат, уменьшение количества среды (например, глицерина) в нагревательной камере 124 часто приводит к уменьшению или снижению интенсивности теплопередачи. Кроме того, нагретая среда 126 контактирует с поверхностями 134 (например, с внутренними стенками) цилиндрического корпуса 122, тем самым повышая температуру наружной поверхности корпуса 122. Такая конфигурация ограничивает максимальную температуру среды (например, глицерина), поскольку может потребоваться, чтобы температура наружной поверхности корпуса 122 оставалась ниже определенного значения (например, ниже 275°F) согласно требованиям промышленных сертификаций или стандартов (например, стандартам CSA, европейскому сертификату соответствия).
В других известных примерах источник теплоты (например, патронный нагреватель) располагается внутри рабочей текучей среды. Следовательно, рабочая текучая среда, проходя через регулятор, непосредственно контактирует с источником теплоты. Однако такая конфигурация дает низкую интенсивность теплопередачи, поскольку текучая среда находится в контакте с источником теплоты в течение короткого периода времени при прохождении ее через регулятор, результатом чего являются более низкие выходные температуры рабочей текучей среды. Кроме того, недостаток такой конфигурации состоит в том, что в процессе работы часть рабочей текучей среды накапливается или оседает (например, коксуется) на источнике теплоты, что приводит к увеличению расходов на обслуживание, а также очистку или замену источника теплоты.
В других известных вариантах между источником теплоты и рабочей средой располагают сетчатый фильтр для фильтрации рабочей среды с целью предотвращения накапливания осадка (например, углеродных отложений) на источнике теплоты. Однако такая конфигурация может приводить к загрязнению фильтра (например, вследствие накопления осадка), что требует дополнительных операций по обслуживанию (например, для замены или очистки фильтра). В других известных вариантах источник теплоты соединяют с корпусом проксимально к рабочей текучей среде. Источник теплоты подает тепло к корпусу регулятора, который, в свою очередь, передает тепло рабочей текучей среде по мере ее прохождения между входом и выходом корпуса регулятора. В этой конфигурации источник теплоты нагревает корпус регулятора, в котором расположен канал прохождения рабочей текучей среды. Однако недостатком такой конфигурации может быть слабая теплопередача (например, низкая интенсивность теплопередачи), вследствие чего потребуется больше энергии для нагревания рабочей текучей среды до желательной температуры или поддержания этой температуры. В некоторых случаях недостаточная теплопередача может привести к конденсации рабочей текучей среды. Кроме того, нагревание корпуса регулятора повышает температуру наружной поверхности корпуса регулятора, что может ограничить максимальную температуру нагревания рабочей текучей среды для соответствия стандартам сертификации (например, международным стандартам CSA).
Представленные здесь понижающие терморегуляторы давления снижают давление рабочей текучей среды, одновременно регулируя температуру рабочей текучей среды (например, коррозионных текучих сред, природного газа и т.п.). Например, при использовании в нефтехимической промышленности представленные здесь понижающие терморегуляторы давления поддерживают газообразные пробы рабочей текучей среды (например, содержащей углеводороды) в паровой фазе, что необходимо для проведения анализа. Кроме того, представленные здесь понижающие терморегуляторы давления отделяют, разделяют или физически изолируют рабочую текучую среду от нагревательного блока и/или источника теплоты для предотвращения или существенного снижения накапливания осадка на источнике теплоты и/или нагревательном блоке вследствие конденсации (например, коксования) рабочей текучей среды.
Представленный здесь понижающий терморегулятор давления содержит нагреватель или нагревательный блок, расположенный внутри корпуса регулятора. Конфигурация нагревательного блока позволяет разместить источник теплоты (например, патронный нагреватель) и, по меньшей мере, часть проточного канала (например, трубопровод), по которому проходит рабочая текучая среда между входом и выходом корпуса регулятора. Более того, проточный канал отделяет, разделяет или физически изолирует рабочую текучую среду от нагревательного блока (и от источника теплоты). В результате представленные здесь понижающие терморегуляторы давления обеспечивают относительно повышенную интенсивность теплопередачи, что, в свою очередь, дает значительно более высокие значения выходной температуры рабочей текучей среды. В дополнение к этому, патронный нагреватель может быть в тепловом отношении изолирован от корпуса регулятора, что еще улучшает теплопередачу. Например, описанные здесь варианты регуляторов могут обеспечить выходную температуру рабочей текучей среды до 300°F за относительно короткий период времени (например, в течение 650 секунд). В отличие от этого, многие известные терморегуляторы давления в типичном случае могут обеспечивать выходные значения температур рабочей среды только до 200°F. Таким образом, представленные здесь варианты регуляторов могут подавать рабочую текучую среду со значительно более высокими выходными температурами, чем многие известные регуляторы.
В качестве дополнения или альтернативы следует отметить, что представленные здесь варианты регуляторов позволяют содержать источник теплоты в чистом состоянии (например, не содержащим накопления осадка вследствие коксования). Кроме того, нагревательный блок способен обеспечить значительно большую максимальную температуру, чем, например, глицерин, что позволяет представленным регуляторам подавать рабочую текучую среду (например, пробу) с большей или более высокой выходной температурой. Более того, представленные здесь варианты регуляторов могут поддерживать значения температуры наружной поверхности (например, наружной поверхности корпуса) ниже требуемого значения температуры (например, ниже 275°F) для удовлетворения требованиям сертификационных стандартов (например, для соответствия стандартам CSA, европейскому сертификату соответствия и т.п.), одновременно обеспечивая значительно более высокие температуры рабочей текучей среды на выходе регулятора (т.е. выходные температуры).
Фиг.2 иллюстрирует вариант понижающего терморегулятора давления 200. Этот регулятор 200 содержит корпус регулятора 202, связанный (например, резьбовым соединением) с нагревательной камерой 204. В этом варианте нагревательная камера 204 представляет собой корпус цилиндрической формы, связанный резьбовым соединением с корпусом 202. Корпус регулятора 202 связан со входным соединителем 206 для соединения по текучей среде регулятора 200 с расположенным выше по течению источником давления, а также с выходным соединителем 208 для соединения по текучей среде регулятора 200 с расположенным ниже по течению устройством или системой. Например, входной соединитель 206 подключает регулятор 200, например, к системе управления процессом, подающей к регулятору 200 рабочую текучую среду (например, содержащую углеводороды) под относительно высоким давлением (например, 4500 фунтов на кв. дюйм). Выходной соединитель 208 связывает по текучей среде регулятор 200, например, с расположенной ниже по течению системой, такой как, например, система взятия проб, для которой требуется подавать рабочую текучую среду под определенным (например, более низким) давлением (например, 0-500 фунтов на кв. дюйм). Система взятия проб может содержать анализатор (например, газовый анализатор), для которого может потребоваться, чтобы рабочая текучая среда подавалась под относительно низким давлением (например, 0-500 фунтов на кв. дюйм), при этом чтобы температура рабочей текучей среды (например, 300°F) вынуждала ее находиться в парообразном состоянии, необходимом для выполнения анализа рабочей текучей среды (например, для контроля качества). Корпус 202 может также содержать отверстия 210 и 211 для подключения, например, манометров (не показаны), расходомеров (не показаны) и т.п.
Блок управления 212 оперативно связан с корпусом регулятора 202 и подает питание к источнику теплоты или элементу (не показан), расположенному внутри нагревательной камеры 204. Кроме того, блок управления 212 может содержать датчик температуры, например термопару, термистор и т.п., оперативно связанный с корпусом регулятора (например, расположенный вплотную с проточным каналом между входом и выходом, внутри проточного канала, и т.п.) и реагирующий на температуру рабочей текучей среды. Этот температурный датчик, в свою очередь, подает сигнал (например, электрический сигнал) к блоку управления 212. Блок управления 212 может иметь конфигурацию, позволяющую сравнивать измеряемую температуру рабочей текучей среды (например, полученную от датчика температуры) с желаемой или заданной температурой, и на основе разности между измеряемой температурой (например, 150°F) и заданной температурой (например, 300°F) управлять электрическим током нагревательного элемента. Таким образом, например, блок управления 212 может осуществлять термостатический контроль источника теплоты или элемента (например, нагревательного элемента). В некоторых вариантах блок управления 212 может содержать дисплей 214 (например, ЖК-экран), показывающий, например, измеряемую температуру рабочей текучей среды на выходе 208, температуру источника теплоты или любую другую характеристику рабочей текучей среды (например, выходное давление и т.п.).
На Фиг.3А и 3В представлены в разрезе виды понижающего терморегулятора давления 200 по Фиг.2. В этом варианте корпус 202 содержит верхнюю часть корпуса 302, связанную (например, резьбовым соединением) с нижней частью корпуса 304. Мембрана 306 заключена между верхним корпусом 302 и нижним корпусом 304. Верхний корпус 302 и первая сторона 308 мембраны 306 образуют первую камеру 310. Смещающий элемент 312 (например, пружина) располагается внутри первой камеры 310 между регулировочным гнездом пружины 314 и мембранной пластиной 316, поддерживающей мембрану 306. В этом варианте первая камера 310 сообщается по текучей среде, например, с атмосферой через вентиляционное отверстие 318. Регулятор усилия пружины 320 (например, винт) воздействует на регулировочное гнездо пружины 314, позволяя регулировать длину смещающего элемента 312 (например, увеличивая или уменьшая сжатие смещающего элемента 312), а следовательно, и регулировать (например, увеличивать или уменьшать) величину заданного усилия или нагрузку, которую смещающий элемент 312 будет прикладывать к первой стороне 308 мембраны 306.
Нижний корпус 304 и вторая сторона 322 мембраны 306, по меньшей мере, частично образуют камеру давления 324, вход 326 (например, для подключения входного соединителя 206) и выход 328 (например, для подключения выходного соединителя 208). Затвор клапана 330 располагается в продольном канале или во входной камере 332 в нижнем корпусе 304. Гнездо клапана 334 располагается между входной камерой 332 и камерой давления 334 и образует отверстие 336 на пути прохождения текучей среды между входом 326 и выходом 328. В этом варианте седло клапана 334 прижимается к буртику 338, сформированному, например, путем зенкования. Затвор клапана 330 оперативно связан с мембраной 306 через мембранную пластину 316 и шток клапана 340. В процессе работы мембрана 306 перемещает затвор клапана 330 к гнезду клапана 334 или от него, тем самым блокируя или пропуская поток текучей среды между входом 326 и выходом 328. Вторая пружина 342 расположена внутри входной камеры 332 и поджимает затвор клапана 330 к гнезду клапана 334. В представленном варианте затвор клапана 330 может прижиматься к гнезду клапана 334, образуя герметичное соединение, блокирующее прохождение потока текучей среды между входом 326 и выходом 328. Коэффициент жесткости второй пружины 342 в типичном случае значительно меньше коэффициента жесткости смещающего элемента 312.
Как показано на Фиг.3А и 3В, вход 326 соединен по текучей среде с входной камерой 332 посредством первого проточного канала 344, а выход 328 соединен по текучей среде с камерой давления 324 посредством второго проточного канала 346. В этом варианте первый проточный канал 344 включает интегральные проточные каналы 348 и 350, сформированные в корпусе регулятора 202 как одно целое с ним, а также подключаемый разъемным соединением трубчатый проточный канал 352 (например, трубопровод), который соединяет по текучей среде интегральные перепускные каналы 348 и 350 между входом 326 и входной камерой 332. Аналогично, второй проточный канал 346 включает интегральные проточные каналы 354 и 356, сформированные в корпусе регулятора 202 как одно целое с ним, а также подключаемый разъемным соединением трубчатый проточный канал 358 (например, трубопровод), соединяющий по текучей среде интегральные проточные каналы 354 и 356 между камерой давления 324 и выходом 328. Трубчатые проточные каналы 352 и 358 подключены к корпусу регулятора 202 (например, к соответствующим интегральным проточным каналам 348, 350, 354 и 356) с помощью соединительных деталей 360, таких как, например, обжимные фитинги. Однако в других вариантах соединение между входом 326 и выходом 328 может осуществляться с помощью других приемлемых проточных каналов и/или перепускных каналов. В представленном варианте трубчатые проточные каналы 352 и 358 представляют собой трубопровод, изготовленный из коррозионно-стойкого материала, например из нержавеющей стали. Однако в других вариантах трубчатые проточные каналы 352 и/или 358 могут быть изготовлены из любого другого приемлемого материала (материалов).
Нагреватель или нагревательный блок 362 расположен, по меньшей мере частично, внутри нагревательной камеры 204. В этом варианте, по меньшей мере, часть первого проточного канала 344 (например, трубчатый проточный канал 352) и часть второго проточного канала 346 (например, трубчатый проточный канал 358) расположены внутри нагревательного блока 362. Однако в других вариантах, по меньшей мере, часть первого проточного канала 344 или (как альтернатива), по меньшей мере, часть второго проточного канала 346 может располагаться внутри нагревательного блока 362.
Нагревательный элемент или источник теплоты 364 (например, патронный нагреватель), по меньшей мере частично, соединен с нагревательным блоком 362. Первый и второй проточные каналы 344 и 346 отделяют, разделяют или физически изолируют рабочую текучую среду от нагревательного блока 362 и/или источника теплоты 364. Таким образом, представленный понижающий терморегулятор давления 200 устраняет или существенно уменьшает накопление осадка на нагревательном блоке 362 и/или на источнике теплоты 364 вследствие, например, коксования, тем самым способствуя обслуживанию (например, очистке) регулятора 200. Как отмечалось выше, блок управления 212 (Фиг.2) обеспечивает питанием (например, электрическим током) источник теплоты 364, подающий тепло к нагревательному блоку 362. Нагревательная камера 204 содержит порт 366 для подключения (например, резьбовым соединением) соединительного элемента 368, связывающего блок управления и/или источник теплоты 364 с нагревательной камерой 204. Соединительный элемент 368 может быть практически изолирован в тепловом отношении от источника теплоты 364 для улучшения передачи тепла к нагревательному блоку 362.
Кроме того, конфигурация или размеры нагревательного блока 362 выбраны такими, что между наружной поверхностью 372 нагревательного блока 362 и поверхностью 374 нагревательной камеры 204 образована полость 370 (например, воздушный зазор или карман). Таким образом, полость 370 (например, воздушный зазор) может выполнять функцию изолятора (например, обеспечивать низкую теплопередачу или высокое сопротивление теплопередаче), значительно уменьшая теплопередачу между нагревательным блоком 362 и корпусом регулятора 202 и/или поверхностью 374 нагревательной камеры 204. Другими словами, нагревательный блок 362 может быть нагрет до значительной температуры (например, до 300°F, до 600°F), а нагревательная камера 204 и/или корпус регулятора 202 могут оставаться относительно прохладными (например, 200°F) по сравнению с нагревательным блоком 362. Такая конфигурация позволяет улучшить соответствие представленного регулятора 200 сертификационным стандартам (например, международным стандартам CSA) для применения с летучими текучими средами (например, с воспламеняющимися или взрывоопасными средами и т.п.). В других вариантах между наружной поверхностью 372 нагревательного блока 362 и поверхностью 374 нагревательной камеры 204 и/или корпусом регулятора 202 можно располагать изоляцию или другие материалы, предотвращающие или существенно снижающие теплопередачу или повышающие тепловое сопротивление. В дополнительных вариантах нагревательная камера 204 может быть изолирована вакуумом от корпуса регулятора 202.
Представленный на Фиг.2, 3А и 3В терморегулятор давления 200 в типичном случае получает рабочую текучую среду, имеющую высокое давление на входе 326 (например, 4500 фунтов на кв. дюйм) и обеспечивает или поддерживает ее давление на выходе 328 на определенном уровне (например, 0-500 фунтов на кв. дюйм). Заданное значение желаемого давления (например, 500 фунтов на кв. дюйм) можно изменять путем регулировки усилия, прикладываемого смещающим элементом 312 к первой стороне 308 мембраны 306, с помощью регулятора сжатия пружины 320. Для достижения желаемого выходного давления регулятор сжатия пружины 320 вращают или поворачивают вокруг оси 376 (например, по часовой стрелке или против часовой стрелки в ориентации по Фиг.3А и 3В) с целью регулировки усилия, прикладываемого смещающим элементом 312 к первой стороне 308 мембраны 306. В свою очередь, усилие, прикладываемое смещающим элементом 312 к мембране 306, устанавливает затвор клапана 330 в такое положение по отношению к седлу клапана 334 (например, отодвигает затвор клапана 330 от гнезда клапана 334 в ориентации по Фиг.3А и 3В), которое позволяет рабочей текучей среде проходить между входом 326 и выходом 328. Следовательно, выходное или желаемое давление зависит от величины заданного усилия, прикладываемого смещающим элементом 312 для установки мембраны 306, а значит, и затвора клапана 330 в нужное положение по отношению к гнезду клапана 334.
Камера давления 324 воспринимает давление рабочей текучей среды на выходе 328 через второй проточный канал 346. Когда давление рабочей текучей среды в камере давления 324 возрастает до такой степени, что ее воздействие на вторую сторону 322 мембраны 306 превышает заданное значение усилия смещающего элемента 312 на первую сторону 308 мембраны 306, мембрана 306 перемещается по направлению к первой камере 310 (например, вверх в ориентации по Фиг.3А и 3В) против усилия смещающего элемента 312. Когда мембрана 306 перемещается к первой камере 310, то эта мембрана 306 вынуждает затвор 330 клапана перемещаться по направлению к седлу клапана 334, ограничивая прохождение потока текучей среды через отверстие 336. Вторая пружина 342 поджимает затвор клапана 330 к гнезду клапана 334 для герметичного соединения с гнездом клапана 334 (например, в закрытом положении), что позволяет практически блокировать прохождение текучей среды через отверстие 336 (т.е. между входной камерой 332 и камерой высокого давления 324). Блокирование или существенное ограничение прохождения потока текучей среды между входом 326 и выходом 328 приводит к снижению давления рабочей текучей среды на выходе 328.
И наоборот, сниженное давление текучей среды на выходе 328 регистрируется в камере давления 324 через второй проточный канал 346. Когда давление рабочей текучей среды в камере высокого давления 324 опустится ниже заданного значения усилия, прикладываемого смещающим элементом 312 к первой стороне 308 мембраны 306, смещающий элемент 312 вынудит мембрану 306 переместиться в направлении (например, вниз в ориентации по Фиг.3А и 3В) к камере давления 324. По мере перемещения мембраны 306 к камере давления 324 затвор клапана 330 отдаляется от гнезда клапана 334, позволяя потоку текучей среды проходить через отверстие 336 (например, в открытом положении), тем самым повышая давление на выходе 328. Когда выходное давление практически сравняется с заданным значением усилия, прикладываемого смещающим элементом 312, мембрана 306 вынудит затвор клапана 330 занять такое положение, которое будет поддерживать желаемое значение выходного давления и обеспечивать требуемый поток текучей среды.
Давление рабочей текучей среды значительно снижается при прохождении этой рабочей текучей среды через отверстие 336. В результате падение давления приводит к значительному падению температуры рабочей текучей среды (например, вследствие эффекта Джоуля-Томсона). Для того, чтобы минимизировать эффект Джоуля-Томсона, рабочую среду нагревают в процессе ее прохождения между входом 326 и выходом 328 регулятора 200.
По мере прохождения рабочей текучей среды между входом 326 и входной камерой 332 через первый проточный канал 344 источник теплоты 364 (например, через блок управления 212) подает тепло к нагревательному блоку 362. В этом варианте нагревательный блок 362 охватывает часть первого проточного канала 344 (например, трубчатый проточный канал 352). Нагревательный блок 362 может быть нагрет, например, до 600°F. Это тепло передается через нагревательный блок 362 и трубчатый проточный канал 352, нагревая рабочую текучую среду, проходящую внутри трубчатого проточного канала 352. Таким способом, например, рабочую текучую среду можно нагревать по мере ее прохождения по первому проточному каналу 344 до прохождения через отверстие 336.
Кроме того, в этом варианте наружный диаметр трубчатых проточных каналов 352 и 358 подбирают таким (например, наружный диаметр выбирают относительно малым), чтобы значительное количество рабочей текучей среды, проходящей по трубчатым проточным каналам 352 и 358, проходило вблизи внутренней поверхности (например, по внутреннему диаметру) трубчатых проточных каналов 352 и 358. Таким способом при прохождении рабочей текучей среды вблизи внутренней поверхности трубчатых проточных каналов 352 и 358 (т.е. практически при контакте ее с внутренней поверхностью) повышается интенсивность теплопередачи.
Рабочая текучая среда проходит между камерой давления 324 и выходом 328 через второй проточный канал 346. Как отмечалось выше, конфигурация нагревательного блока 362 позволяет охватывать часть второго проточного канала 346 (например, трубчатый проточный канал 358). Тепло передается через нагревательный блок 362 и трубчатый проточный канал 358 для нагревания рабочей текучей среды, проходящей внутри трубчатого проточного канала 358 между камерой давления 324 и выходом 328. Таким способом, например, рабочую текучую среду можно опять нагревать по мере ее прохождения через второй проточный канал 346. Таким способом рабочую текучую среду, содержащую, например, насыщенные газы, можно поддерживать в парообразном состоянии.
Таким образом, представленный понижающий терморегулятор давления 200 передает тепло рабочей текучей среде, проходящей через первый и второй проточные каналы 344 и 346 (например, в точке падения давления), для повышения температуры рабочей текучей среды до желаемого значения (например, 300°F). Поддержание выходной температуры на желаемом или заданном уровне предотвращает конденсацию рабочей текучей среды или способствует ее испарению в процессе падения давления текучей среды на регуляторе 200. Кроме того, регулятор 200 отделяет, разделяет или физически изолирует рабочую текучую среду от нагревательного блока 362 и/или источника теплоты 364 для значительного уменьшения или предотвращения накопления углеродного осадка, вызванного, например, коксованием. Кроме того, зазор 370 между нагревательным блоком 362 и нагревательной камерой 204 позволяет поддерживать температуру наружной поверхности регулятора 200 ниже значения (например, ниже 275°F), желаемого или требуемого для соответствия сертификационным стандартам (например, международным стандартам CSA), что позволяет использовать представленный регулятор 200 в работе с летучими средами.
На Фиг.4А представлен вид сверху варианта нагревательного блока 362 по Фиг.2, 3А и 3В. На Фиг.4В представлен вид сбоку варианта нагревательного блока 362 по Фиг.2, 3А, 3В и 4А. Представленный на Фиг.4А и 4В нагревательный блок 362 содержит практически цилиндрический корпус 402. Как показано здесь, участок 404 цилиндрического корпуса 402 можно удалить для уменьшения габаритных размеров нагревательного блока 362, что позволит выполнить его сборку с регулятором 200 по Фиг.2, 3А и 3В. Нагревательный блок 362 содержит множество отверстий 406a-d, размеры которых выбраны для приема, например, первого проточного канала 344 и/или второго проточного канала 346 (Фиг.3А и 3В). В этом варианте нагревательный блок 362 содержит первое множество отверстий 406а и 406b для приема трубчатого проточного канала 352 (Фиг.3А и 3В), а также второе множество отверстий 406с и 406а для приема трубчатого проточного канала 358 (Фиг.3А и 3В). Однако в других вариантах нагревательный блок 362 может включать только первое множество отверстий 406а-b или второе множество отверстий 406c-d для приема трубчатого проточного канала 352 или трубчатого проточного канала 358, или иметь любую другую приемлемую конфигурацию.
В этом варианте диаметр каждого отверстия из множества 406a-d выбран практически равным наружному диаметру трубчатых проточных каналов 352 и 358 (например, приблизительно 0,0625 дюйма) или чуть больше, что позволяет обеспечить небольшой или жесткий допуск. Таким образом, жесткий допуск между трубчатыми проточными каналами 352, 358 и множеством отверстий 406a-d позволяет наружной поверхности трубчатых проточных каналов 352 и 358 практически прижиматься или контактировать с внутренней поверхностью 408 множества отверстий 406a-d, тем самым увеличивая площадь контактной поверхности, а следовательно, и интенсивность теплопередачи (т.е. снижая тепловое сопротивление) между нагревательным блоком 362 и трубчатыми проточными каналами 352 и 358.
В корпусе 402 просверлен канал 410 для размещения источника теплоты, например источника теплоты 364 по Фиг.3А и 3В. В других вариантах в канале 410 может быть, по меньшей мере, в части его длины нарезана резьба для подключения резьбовым соединением источника тепла и/или соединительного элемента (например, соединительного элемента 368 по Фиг.3А и 3В).
Нагревательный блок 362 может быть изготовлен из алюминия и обработан для обеспечения жестких допусков. В других вариантах нагревательный блок 362 может быть изготовлен из любого другого приемлемого материала и/или коррозионно-устойчивых материалов, обладающих высокой теплопроводностью. Еще в других вариантах трубчатые проточные каналы 352 и 358 могут быть отлиты вместе с нагревательным блоком 362 или получены с помощью любого другого приемлемого способа (способов) изготовления.
На Фиг.5 представлен частичный вид понижающего терморегулятора давления 200 по Фиг.2, 3А и 3В. Для большей ясности нагревательная камера 204 по Фиг.2, 3А и 3В не показана. В этом варианте трубчатые проточные каналы 352 и 358 проходят через нагревательный блок 362 в форме литеры U. Как здесь показано, первое плечо 502 U-образного трубчатого проточного канала 352 расположено внутри отверстия 406а, а второе плечо 504 U-образного трубчатого проточного канала 352 расположено внутри отверстия 406b. Аналогично, первое плечо 506 U-образного трубчатого проточного канала 358 расположено внутри отверстия 406с, а второе плечо 508 U-образного трубчатого проточного канала 358 расположено внутри отверстия 406d.
Однако в других вариантах трубчатый проточный канал 352 и/или трубчатый проточный канал 358 может располагаться или проходить (например, в виде витков) через множество участков нагревательного блока 362, увеличивая площадь теплопередачи. Например, трубчатые проточные каналы 352 и/или 358 могут проходить (например, извивисто) через нагревательный блок 362 в форме литеры W или в любой другой форме. Такое расположение трубчатого проточного канала 352 в нагревательном блоке (например, в форме литеры U, литеры W и т.п.) повышает или увеличивает площадь теплопередачи между нагревательным блоком 362 и рабочей текучей средой, проходящей по трубчатым проточным каналам 352 и 358. Увеличение площади теплопередачи обеспечивает большую или повышенную интенсивность теплопередачи или пониженное сопротивление теплопередаче между нагревательным блоком 362 и трубчатыми проточными каналами 352 и 358, а следовательно, обеспечивает повышенную теплопередачу и/или повышенную эффективность при нагревании рабочей текучей среды (например, нагревание рабочей текучей среды может происходить быстрее и/или рабочая текучая среда может нагреваться до более высокой желаемой температуры).
Как показано наиболее отчетливо на Фиг.3А и 3В, в этом варианте соединительный элемент 360 (например, фитинг обжимного типа) имеет снабженный резьбой край 378 (Фиг.3А и 3В) для резьбового соединения с корпусом регулятора 202. Второй край 380 (Фиг.3А и 3В) (например, обжимной фитинг) соединяет трубчатый проточный канал 352 и 358 с корпусом регулятора 202. Такие фитинги обжимного типа дают возможность соответствующим концам 502, 504, 506, 508 U-образных трубчатых проточных каналов 352 и 358 проходить через (например, проскальзывая внутрь) соответствующее отверстие из множества 406a-d нагревательного блока 362. Между наружными поверхностями первого и/или второго трубчатых проточных каналов 352, 358 и соответствующими отверстиями 406a-d при подключении к нагревательному блоку 362 можно нанести эпоксидный состав 510 (например, теплопроводящий эпоксидный состав) для герметизации любых зазоров (например, воздушных карманов или зазоров) между наружными поверхностями трубчатых проточных каналов 352, 358 и соответствующими внутренними поверхностями отверстий 406a-d нагревательного блока 362. Теплопроводящий эпоксидный состав, например, улучшает теплопередачу (т.е. снижает сопротивление теплопередаче) между нагревательным блоком 362 и рабочей текучей средой, проходящей по трубчатым проточным каналам 352 и 358 за счет устранения или существенного уменьшения любых зазоров (например, воздушных зазоров) между трубчатыми проточными каналами 352, 358 и соответствующими отверстиями 406a-d.
Фиг.6 иллюстрирует другой вариант нагревательного блока 600, который можно применять для исполнения варианта понижающего терморегулятора давления 200 по Фиг.2, 3А, 3В, 4А, 4В и 5. В этом варианте нагревательный блок 600 содержит множество отверстий 602, расположение и/или диаметры которых отличаются от расположения и/или диаметров множества отверстий 406a-d по Фиг.4А и 4В. Кроме того, в нагревательном блоке 600 просверлен канал 604, диаметр которого превышает диаметр канала 410 по Фиг.4А и 4В, предназначенный для приема источника теплоты большего размера.
Фиг.7 иллюстрирует еще один вариант нагревательного блока 700, который можно применять для исполнения варианта понижающего терморегулятора давления 200 по Фиг.2, 3А, 3В, 4А, 4В и 5. Нагревательный блок 700 подобен нагревательному блоку 362 по Фиг.2, 3А, 3В, 4А, 4В и 5, а также варианту нагревательного блока 600 по Фиг.6, отличие состоит в том, что блок 700 содержит вырезы 702 и 704 для приема, например, трубчатых проточных каналов 352 и 358 по Фиг.3А и 3В. Однако, в других вариантах, нагревательный блок 700 может содержать единственный вырез для приема трубчатого проточного канала (например, трубчатого проточного канала 352 или - в качестве альтернативы - канала 358 по Фиг.3А и 3В) или же любое количество вырезов. В качестве дополнения или альтернативы, размеры вырезов 702 или 704 можно выбрать соответствующими для приема U-образных трубчатых проточных каналов, W-образных трубчатых проточных каналов или трубчатых проточных каналов любой другой формы. В нагревательном блоке 700 просверлен канал 706 для приема источника теплоты (например, источника теплоты 364 по Фиг.3А и 3В).
Фиг.8 иллюстрирует еще один вариант понижающего терморегулятора давления 800. Подобно варианту регулятора 200 по Фиг.2, 3А, 3В и 5 понижающий терморегулятор 800 снижает давление рабочей текучей среды, проходящей через корпус регулятора 802, одновременно контролируя температуру рабочей текучей среды (например, коррозионных текучих сред, природного газа и т.п.), практически аналогично описанному выше варианту регулятора 200. Компоненты регулятора 800, являющиеся практически подобными или идентичными компонентам описанного выше регулятора 200 и выполняющие функции, практически подобные или идентичные функциям указанных компонентов, не нуждаются в повторном подробном описании. В случае необходимости читатель может обратиться к приведенному выше подробному описанию соответствующих деталей на Фиг.2, 3А, 3В и 5. Например, вариант регулятора 800 по Фиг.8 имеет корпус регулятора 802, практически подобный корпусу регулятора 202 (Фиг.2), а также нагревательную камеру 804, практически подобную нагревательной камере 204 (Фиг.2), представленным в варианте регулятора 200 по Фиг.2, 3А, 3В и 5.
Вместо нагревательного блока (например, нагревательного блока 362 по Фиг.3А, 3В, 4А, 4В и 5, нагревательного блока 600 по Фиг.6 или нагревательного блока 700 по Фиг.7) в варианте регулятора 800 присутствует нагревательный элемент 806, окружающий или обвивающий трубчатые проточные каналы 808 и 810 (например, трубчатые проточные каналы, практически подобные трубчатым проточным каналам 352 и 358 по Фиг.3А и 3В). Нагревательный элемент 806 содержит изоляцию (не показана) для ограничения или предотвращения наличия электропроводности между нагревательным элементом 806 и трубчатыми проточными каналами 808 и 810. Эта изоляция расположена между наружной поверхностью трубчатых проточных каналов 808, 810 и наружной поверхностью нагревательного элемента 806. В таком варианте трубчатые проточные каналы 808 и 810 можно изготовлять, например, из нержавеющей стали или других металлических коррозионно-стойких материалов. В процессе работы нагревание нагревательного элемента 806 осуществляется через контроллер (например, контроллер 212 по Фиг.2). Контроллер обеспечивает энергией (например, электрическим током) нагревательный элемент 806. В свою очередь, нагревательный элемент 806 подает тепло к рабочей текучей среде через трубчатые проточные каналы 808 и 810 по мере прохождения текучей среды между входом 812 и выходом 814 корпуса регулятора 802.
Хотя здесь описаны конкретные устройства, способы и готовые изделия, однако объем настоящего изобретения не ограничивается ими. Напротив, настоящее изобретение охватывает все варианты его исполнения, соответствующие пунктам прилагающейся формулы изобретения в буквальном смысле, либо их эквивалентам.