УСТРОЙСТВО ДЛЯ АДАПТИВНОГО ОБОГРЕВА КРИОГЕННОГО АППАРАТА
DEVICE FOR ADAPTIVE HEATING OF CRYOGENIC DEVICE

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.
а
о
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 обогреваемого аппарата подключен к первому суммирующему входу суммирующего элемента 4, второй вычитающий вход которого соединен с выходом датчика 7 температуры Θ 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.
а
о
а
а
з
а
з
а
а
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 обогреваемого аппарата и регулирующее устройство 3. Для обеспечения работоспособности аппарата при изменении температуры окружающей среды Θ необходимо регулировать мощность, поступающую на электрический нагреватель 1, поддерживая, тем самым, заданную температуру Θ обогреваемого аппарата. Поддержание заданной температуры Θ 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, поступающий от задатчика температуры 6, с сигналом Θ обратной связи, поступающим от датчика температуры 5, расположенного на корпусе обогреваемого аппарата. На выходе регулирующего устройства 3 вырабатывается сигнал, пропорциональный разности температур ΔΘ=Θ-Θ, который обеспечивает регулирование мощности, поступающей от регулятора напряжения 2 в электрический нагреватель 1. Как следует из приведенного выражения, изменение температуры Θ 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.
з
о
з
з
з
Поддержание неизменной заданной температуры Θ при изменении температуры Θ и влажности В окружающего воздуха в широком диапазоне не обеспечивает требуемых условий обогрева аппарата. Как правило, выбор заданного значения температуры Θ 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, 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=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.
з
з
з
з
Контур адаптации к изменению температуры окружающей среды включает в себя функциональный блок 8 и датчик 7 температуры Θ 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 при изменении температуры окружающего воздуха. Работа контура адаптации заключается в том, что при увеличении температуры окружающего воздуха заданное значение температуры Θ 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 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.
з
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. 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.