СПОСОБ НАПОЛНЕНИЯ ЕМКОСТЕЙ СЖАТЫМ ГАЗОМ ДО ТРЕБУЕМОГО ДАВЛЕНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
METHOD OF FILLING CONTAINERS WITH COMPRESSED GAS TO REQUIRED PRESSURE AND DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Изобретение относится к техническим средствам, предназначенным для наполнения емкостей сжатым газом до требуемого давления, в частности, может быть использовано для наполнения емкостей (полостей) изделий ракетно-космической техники контрольным газом при испытаниях на герметичность или емкостей (баков) транспортных средств топливом в виде сжатого газа.
Известен способ наполнения емкостей сжатым газом до требуемого давления, включающий в себя подачу газа в емкость, контроль температуры газа в емкости, прерывание подачи газа при увеличении температуры газа в емкости выше максимально допустимого значения, возобновление подачи газа после охлаждения газа посредством теплообмена со стенкой емкости, прекращение подачи газа и процесса наполнения при достижении давления в емкости требуемого значения, см. описание к а.с. SU 744186 (А.И. Гуляев). Недостатком описанного способа является необходимость прерывать подачу газа в процессе наполнения, причина чему рост температуры газа в емкости при подаче газа в емкость и отсутствие мер, предотвращающих повышение температуры газа в емкости выше максимально допустимого значения.
Рассмотренного выше недостатка лишен способ наполнения емкостей сжатым газом, описанный в патенте СА 2849542 A1 (Cohen Joseph Perry). Способ включает в себя подачу газа в емкость, измерение давления и температуры газа в емкости, регулирование расхода газа, поступающего в емкость, обеспечивающее изменение температуры газа в емкости при подаче газа в соответствии с требуемой температурной характеристикой, прекращение подачи газа и процесса наполнения при достижении давления в емкости требуемого значения. Требуемая температурная характеристика задается в виде зависимости требуемой температуры газа в емкости от времени, прошедшего с момента начала наполнения, или в виде зависимости требуемой температуры газа в емкости от другого контролируемого параметра газа, например, от давления газа в емкости. В характеристике учитывается ограничение температуры газа в емкости.
Согласно, описанному в патенте СА 2849542 A1 (Cohen Joseph Perry) способу, в процессе наполнения измеряется температура газа в емкости, текущее (измеренное) значение температуры газа (в текущий момент времени или при текущем давлении газа в емкости) сравнивается с требуемым значением в соответствии с требуемой температурной характеристикой. По рассогласованию между требуемым и текущим значением температуры газа происходит регулирование расхода газа, поступающего в емкость. Регулирование по рассогласованию между требуемым и текущим значением температуры газа в емкости обеспечивает такое изменение расхода газа в процессе наполнения, при котором температура газа в емкости в процессе наполнения равна или близка к температуре, задаваемой требуемой температурной характеристикой, но не превышает максимально допустимое значение. При достижении требуемого давления в емкости подача газа прекращается, наполнение считается оконченным. Данный способ принят в качестве прототипа.
Недостатками прототипа являются необходимость задания требуемой температурной характеристики перед наполнением емкости. Это требует подготовки к наполнению и усложняет реализацию метода. Подготовка к наполнению заключается в предварительном получении путем расчета или эксперимента требуемой температурной характеристики для каждого типоразмера наполняемых емкостей. Сложность реализации заключается в том, что управляющее устройство, задающее расход газа, должно иметь запоминающее устройство для хранения требуемой температурной характеристики, а также средства ввода характеристики и обращения к ней.
Предлагаемый способ позволяет выполнять наполнение емкостей только исходя из значения максимально допустимой температуры газа в емкости, предотвращая при этом повышение температуры газа в процессе наполнения выше максимально допустимого значения.
Предложен способ наполнения емкостей сжатым газом до требуемого давления, включающий в себя подачу газа в емкость, измерение давления и температуры газа в емкости, регулирование расхода поступающего в емкость газа в зависимости от давления и температуры газа в емкости, прекращение подачи газа и процесса наполнения при достижении давления в емкости требуемого значения. Способ отличается от прототипа тем, что регулирование расхода газа осуществляется по величине рассогласования между максимально допустимым и текущим значением температуры газа в емкости.
Регулирование расхода газа, поступающего в наполняемую емкость, по величине рассогласования между текущим и максимально допустимым значением температуры газа в емкости обеспечивает стабилизацию температуры газа в емкости в процессе наполнения на уровне, не превышающем максимально допустимое значение. Для пояснения предлагаемого способа на фиг. 1 приведены графики зависимостей от времени расхода газа, G(t), поступающего в емкость, текущей температуры газа в емкости, T(t), текущего давления газа, p(t), а также рассогласования между максимально допустимым и текущим значением температурой газа в емкости, ΔT(t). Для рассматриваемого процесса наполнения значения максимально допустимой температура газа в емкости и требуемого давления газа в емкости в конце процесса наполнения установлены соответственно Tmax=323 К и pmax=8 МПа. Согласно графикам фиг. 1 в начале наполнения имеет место максимальная величина рассогласования между максимально допустимым и текущим значением температуры газа в емкости, расход газа увеличивается до максимального значения. Плавность изменения расхода газа обеспечивается применением типовых корректирующих устройств для регулирования по рассогласованию (например, введением апериодического звена в прямую цепь регулирования). По мере поступления газа в емкость, температура газа приближается к максимально допустимому значению, величина рассогласования между максимально допустимым и текущим значением температуры газа в емкости уменьшается, уменьшается расход газа, поступающего в емкость, уменьшается величина секундного притока энергии в емкость со сжатым газом. При равенстве секундного притока энергии в емкость и интенсивности охлаждения газа в емкости посредством теплообмена газа со стенкой емкости, температура газа стабилизируется и устанавливается на уровне, не превышающем максимально допустимое значение. Подача газа не останавливается, пока давление газа в емкости не достигнет требуемого значения, и процесс наполнения не будет окончен. При астатическом регулировании расхода газа установившаяся температура газа будет равна максимально допустимой температуре газа, при статическом регулировании - ниже этого значения. Таким образом, предотвращение роста температуры газа в процессе наполнения выше максимально допустимого значения достигается без задания требуемой температурной характеристики, предлагаемый метод не требует подготовки к наполнению и технически проще в реализации, т.к. не требует средств введения, хранения и обращения к требуемой температурной характеристике.
В процессе наполнения текущая температура газа может измеряться как прямым методом с помощью датчика температуры, установленного в наполняемой емкости, так и косвенно по результатам измерения прочих параметров газа в емкости, например, давления и удельной плотности (по величине массового расхода газа), и последующего расчета температуры газа исходя из уравнения состояния газа.
Математическое моделирование процесса наполнения емкости в соответствии с предлагаемым способом подтвердило его работоспособность.
Предложенный способ наполнения емкостей сжатым газом до требуемого давления может быть реализован с помощью устройства, предлагаемого ниже.
Известно устройство наполнения емкостей сжатым газом до требуемого давления, включающее в себя источник сжатого газа (питающий ресивер), наполняемую емкость, редуцирующее устройство, трубопроводы. Устройство обеспечивает подачу газа из источника сжатого газа, редуцирование (понижение) давления газа и подачу газа в емкость до достижения давления в ней требуемого значения, см. описание к а.с. SU 445803 (В.А. Серебренников, Р.В. Галанский). Недостатком устройства является необходимость прерывать подачу газа в процессе наполнения, причина чему рост температуры газа при подаче газа в емкость и отсутствие мер, предотвращающих повышение температуры газа в емкости выше максимально допустимого значения.
Рассмотренного выше недостатка лишено устройство, описанное в патенте СА 2849542 A1 (Cohen Joseph Perry). Устройство содержит источник сжатого газа, наполняемую емкость, трубопроводы, устройство регулирования расхода газа, поступающего в емкость, датчик давления и датчик температуры газа в емкости, блок управления, формирующий управляющий сигнал для устройства регулирования расхода газа в зависимости от давления и температуры газа в емкости. В процессе наполнения блок управления формирует управляющий сигнал для устройства регулирования расхода газа, обеспечивающий поступление газа в наполняемую емкость с расходом, при котором температуры газа емкости изменяется в соответствии с требуемой температурной характеристикой. Характеристика задается в виде зависимости требуемой температуры газа в емкости от времени, прошедшего с момента начала наполнения, или в виде зависимости требуемой температуры газа в емкости от другого контролируемого параметра газа, например, от давления газа в емкости. В характеристике учитывается ограничение температуре газа в емкости. Формирование управляющего сигнала происходит следующим образом. В процессе наполнения с помощью датчика температуры измеряется температура газа в емкости. Блок управления определяет рассогласование между требуемым значением температуры газа (согласно требуемой температурной характеристике) и текущим (измеренным) значением, согласно величине рассогласования подает управляющий сигнал на вход регулятора расхода. Регулятор согласно сигналу блока управления устанавливает расход газа, поступающий в емкость. Задание расхода газа по рассогласованию между требуемым и текущим значением температуры газа в емкости обеспечивает такое изменение расхода газа в процессе наполнения, при котором температура газа в емкости в процессе наполнения равна или близка к температуре, задаваемой требуемой температурной характеристикой, но не превышает максимально допустимое значение. При достижении требуемого давления в емкости блок управления формирует сигнал на прекращение подачи газа. Данное устройство принято в качестве прототипа.
Недостатками прототипа являются необходимость задания требуемой температурной характеристики перед наполнением емкости, что требует подготовки к наполнению и усложняет устройство. Подготовка к наполнению заключается в предварительном получении путем расчета или эксперимента требуемой температурной характеристики для каждого типоразмера наполняемых емкостей. Усложнение устройства заключается в том, что блок управления, формирующий управляющий сигнал для устройства регулирования расхода газа, должно оснащаться запоминающим устройством для хранения требуемой температурной характеристики, а также средствами ввода характеристики и обращения к ней.
Предлагаемое устройство позволяет выполнять наполнение емкостей только исходя из значения максимально допустимой температуры газа в емкости, предотвращая при этом повышение температуры газа в процессе наполнения выше максимально допустимого значения.
Предложено устройство, содержащее источник сжатого газа, наполняемую емкость, трубопроводы, устройство регулирования расхода газа, поступающего в емкость, датчик давления и датчик температуры газа в емкости, блок управления, формирующий управляющий сигнал для устройства регулирования расхода газа в зависимости от давления и температуры газа в емкости. Устройство отличается от прототипа тем, что при подаче газа в емкость блок управления формирует управляющий сигнал для устройства регулирования расхода газа по величине рассогласования между максимально допустимым и текущим значением температуры газа в емкости. Формирование управляющего сигнала для устройства регулирования расхода газа, поступающего в наполняемую емкость, по величине рассогласования между максимально допустимым и текущим значением температуры газа в емкости обеспечивает стабилизацию температуры газа в емкости в процессе наполнения на уровне, не превышающем максимально допустимое значение.
Для пояснения конструкции и работы предлагаемого устройства на фиг. 2 приведена его принципиальная схема. На схеме: 1 - источник сжатого газа, 2, 8 - трубопроводы, 3 - устройство регулирования расхода, 4 - блок управления, 5 - датчик температуры газа в емкости, 6 - датчик давления газа в емкости, 7 - наполняемая емкость. Вариант построения устройства регулирования расхода также показан на фиг. 2, в устройство регулирования расхода газа входят: редукционный клапан 10, регулируемый дроссель 9. На фиг. 3 для блока управления устройства приведен вариант структурной схемы контура задания расхода газа, протекающего через устройство регулирования расхода.
Предлагаемое устройство с приведенными реализациями устройства регулирования расхода и контура задания расхода газа работает следующим образом. При начале процесса наполнения регулируемый дроссель 9 устройства регулирования расхода (см. фиг. 2) закрыт, редукционный клапан 10 настроен на давление, превышающее требуемое давление наполнения емкости. Блок управления выдает сигнал на открытие регулируемого дросселя 9, дроссель открывается. На Вход 1 блока управления поступает сигнал датчика температуры 5. В блоке управления (см. фиг. 3) на выходе элемента Сумматор 1 формируется сигнал рассогласования между максимально допустимым и текущим значением температуры газа в емкости. После этого элемент Сумматор 2 блока управления вычитает из сигнала рассогласования сигнал, пропорциональный скорости роста температуры газа в емкости, корректируя сигнал так, чтобы ограничить стремительный рост температуры газа в начальный момент наполнения. Сформированный таким образом сигнал поступает на вход элемента Апериодическое звено, регулирующего скорость нарастания и спада сигнала управления на Выходе 1 блока управления. Максимальная величина выходного сигнала элемента Апериодическое звено ограничивается элементом Насыщение. Пока давление газа в емкости не достигнет требуемого значения, выходной сигнал элемента Апериодическое звено, скорректированное элементом Насыщение, подается на Выход 1 блока управления и, соответственно, на вход регулируемого дросселя устройства регулирования расхода как управляющий сигнал. В соответствии с величиной управляющего сигнала открывается регулируемый дроссель 9, обеспечивая поступление газа в наполняемую емкость.
По мере приближения температуры газа в емкости к максимально допустимому значению, величина сигнала рассогласования уменьшается, уменьшается управляющий сигнал, подаваемый на вход регулируемого дросселя устройства регулирования расхода. Согласно этому уменьшается проходное сечение регулируемого дросселя, уменьшается расход газа, поступающего в наполняемую емкость и, как следствие, уменьшается секундный приток энергии в емкость. При равенстве секундного притока энергии в емкость и интенсивности охлаждения газа в емкости посредством теплообмена газа со стенкой емкости, температура газа стабилизируется и устанавливается на уровне, не превышающем максимально допустимое значение. Т.к. рассматриваемый вариант контура задания расхода газа выполнен как статическая система регулирования - установившаяся температура газа в емкости меньше максимально допустимой температуры газа. После стабилизации температуры газа в емкости подача газа не останавливается, рост давления газа в емкости продолжается, пока давление газа в емкости не достигнет требуемого значения, и процесс наполнения не будет окончен. Сигнал датчика давления газа в емкости поступает на Вход 2 блока управления. При достижении давления газа в емкости значения, соответствующего требуемому давлению, Сравнивающий элемент контура задания расхода газа через элемент Гистерезис подает сигнал на элемент Ключ, который прерывает выдачу на вход регулируемого дросселя устройства регулирования расхода сигнала с элемента Апериодическое звено и выдает на него нулевой управляющий сигнал. В соответствии с величиной управляющего сигнала регулируемый дроссель 9 (см. фиг. 2) закрывается и останавливает подачу газа в емкость из источника сжатого газа 1. Наполнение емкости до требуемого давления закончено.
Дополнительно предлагаемое устройство может быть оснащено устройством охлаждения сжатого газа, поступающего в емкость по трубопроводу 8, что позволит при прочих равных условиях увеличить расход газа, поступающего в наполняемую емкость, и сократить время наполнения.
Предложенное техническое решение проверено с помощью математического моделирования в программном продукте SimlnTech и показало работоспособность.