СПОСОБ ОБЕСПЕЧЕНИЯ МИНИМАЛЬНОГО ИЗБЫТОЧНОГО ДАВЛЕНИЯ ГАЗОВОЙ СРЕДЫ В ТРАНСПОРТИРОВОЧНОМ КОНТЕЙНЕРЕ
CREATING GAS MINIMUM OVERPRESSURE IN TRANSPORT CONTAINER

Изобретение относится к термостатируемым транспортировочным контейнерам с поддержанием заданного давления и температуры газовой среды в них для транспортировки различных грузов, в том числе космических аппаратов (КА).
Для сравнения заявляемого способа рассматривались варианты регулирования газовой среды в герметизируемых, термостатируемых контейнерах, предназначенных для перевозки различных грузов, по взаимосвязанным параметрам: давлению и температуре с помощью различных устройств.
Известен способ контейнерной транспортировки скоропортящихся продуктов в герметизируемой газовой среде (АС №2145406), для реализации которого предлагаемая конструкция несет свой собственный агрегат для генерирования регулируемых газовых компонентов внутрь контейнера и снабжена тепловыми датчиками и средствами, чувствительными к газовой среде.
Однако вопросы регулирования давления и температуры газовой среды внутри контейнера в указанном способе отражены косвенно.
Известен способ регулируемого изменения перепада давления в замкнутом объеме, реализованный в "Устройстве для регулирования температуры» (патент РФ №679959). Способ включает изменение перепада давления газа в замкнутом объеме и сам объем для обеспечения терморегулирования за счет включения (выключения) струйного насоса. Недостаток указанного способа, как и устройства для его реализации заключается в ограниченности области применения, где габаритные размеры для объектов терморегулирования требуются несоизмеримо большими, по сравнению с реально существующими струйным насосом и сильфоном.
Представляет интерес патент RU №2263619, выбранный в качестве прототипа.
В прототипе осуществлен способ обеспечения избыточного давления и температуры газовой среды в транспортировочном контейнере, включающий регулированный наддув газовой среды (до давления, превышающего давление воздуха вне контейнера) из автономного источника в изотермический контейнер посредством управляемого электромагнитного клапана по показаниям датчика перепада давления между газовой средой в контейнере и наружным окружающим воздухом, терморегулирование газовой среды с помощью системы кондиционирования по показаниям температурных датчиков.
Недостаток указанного способа заключается в том, что он не обеспечивает достаточной точности регулирования минимально возможного избыточного давления в герметичном контейнере из-за отсутствия в нем алгоритма управления электромагнитным клапаном с одновременным учетом в контролируемом интервале времени перепада давления воздуха внутри и снаружи контейнера, скорости изменения температуры воздуха внутри контейнера и изменения наружной температуры воздуха. Как следствие этого, подача минимально допустимого избыточного давления в контейнер с помощью электромагнитного клапана не обеспечивается с расчетно-обоснованным экономичным расходом воздуха из баллона сжатого воздуха для различных режимов работы устройства для реализации данного способа, что приводит к неоправданно высокому расходу сжатого в баллоне воздуха, т.к в прототипе не предусмотрена минимизация наддува.
Также в описываемом способе прототипа не указан механизм взаимоувязки параметров давления и температуры, что позволяет авторам предлагаемого изобретения сформулировать задачу гибкой привязки параметра: перепад давления между газовой средой внутри контейнера и наружным, окружающим контейнер воздухом (избыточное давление внутри контейнера), к изменению температуры внутри контейнера, привязанной, в свою очередь, к температуре окружающего контейнер воздуха.
Задача изобретения - повышение точности поддержания минимального избыточного давления однородной газовой среды в герметичном транспортировочном контейнере в заданном диапазоне температур, снижение расхода по наддуву газовой среды из автономного источника газопотребления, снижение энергопотребления системы кондиционирования, расширение возможностей применения.
В предлагаемом авторами способе задача решается за счет того, что регулированный наддув однородной газовой среды из автономного источника осуществляет логический контроллер при обеспечении температуры в заданном диапазоне, который поддерживают для однородной газовой среды в полностью герметичном контейнере, при этом сброс давления газа, превышающего предельное рабочее в окружающую среду посредством автономного устройства - предохранительного клапана критичного давления в штатном режиме не предусматривается; а баллон со сжатой газовой средой и электромагнитным клапаном установлены внутри теплоизолированного корпуса контейнера и связаны в тепловом отношении непосредственно с его газовой средой, и выход указанного электромагнитного клапана снабжен регулируемым дросселем, причем в качестве газовой среды используют дыхательную смесь, например смесь кислорода с гелием или воздух.
Принцип регулирования наддува, основанный на применении закона Шарля: в замкнутом, неизменяемом объеме отношение давления к температуре постоянно по времени, задает алгоритм управления вышеуказанным контроллером регулируемым наддувом за счет привязки в промежуток времени от to до t параметра "перепад давления газовой среды внутри контейнера" к параметру "изменение температуры внутри контейнера":
где
Tto - температура внутри контейнера в момент времени to, К;
Tt - текущее значение температуры внутри контейнера в момент времени t, К.
Считывание параметра температуры проводится с использованием формулы:
где
to - время начала цикла измерений температуры, с;
t - текущее время измерения температуры, с;
τи - временной интервал измерений температуры (в цикле), с;
n - порядковый номер измерения температуры.
Способ отличается от ранее известных способов использованием в алгоритме управления регулируемым наддувом фактора: скорость изменения температуры. При этом логика управления перепадом давления, ΔPt (где ΔPt - текущее избыточное давление в контейнере, Па), с учетом скорости изменения температуры внутри контейнера, ΔТвнут, К (с привязкой к температуре внешней окружающей среды, Твнеш, К) позволяет оптимально поддерживать минимальное избыточное давление внутри контейнера в задаваемых значениях диапазона:
Результат достигается за счет того, что в зависимости от скорости изменения температуры внутри контейнера и разности температуры внутри и снаружи контейнера определяется выдержка (задержка по включению наддува), формируется временной интервал на включение наддува:
где
упр
τ - временной интервал на включение наддува, с;
t
ΔРф - фактическое значение разности минимального (заданного) и текущего избыточного давления (ΔPmin-ΔP), Па;
ΔTt - разность температур внутри и снаружи контейнера (Твнут.t-Твнеш.t), К;  - скорость изменения температуры внутри контейнера, К/с.
Фактор скорости изменения температуры используется логическим контроллером для регулирования расхода потока газа, поступающего в контейнер из автономного источника газопотребления регулируемым дросселем.
В итоге логический контроллер обеспечивает гибкую логику управления включением наддува и изменением расхода потока газа не только по заданным значениям, измеряемым датчиком перепада давления, но и с учетом скорости изменения температуры внутри контейнера и разности температуры внутри и снаружи контейнера, посредством чего обеспечивается с высокой точностью перепад давления внутри контейнера относительно внешней среды и экономный расход запаса газовой среды из автономного источника.
Суть изобретения поясняется чертежом, на котором изображен общий вид транспортировочного контейнера.
Транспортировочный контейнер содержит теплоизолированный корпус, состоящий из крышки 1 и основания 15 с системой кондиционирования 2 газовой среды, включающей температурные датчики 3, 4 и сплошную и с выполненными проходными отверстиями газонаправляющие оболочки соответственно 5 и 6, баллон 7 со сжатой газовой средой, соединенный трубопроводом 8 с управляемыми по показаниям высокоточного датчика контроля перепада давления 10 между газовой средой контейнера и наружным окружающим воздухом электромагнитным клапаном 9 и регулируемым дросселем 11, предохранительный клапан критичного давления 12, для сброса избыточного давления газовой смеси, превышающего максимально допустимое значение. Транспортируемое изделие 13, например космический аппарат. Вне контейнера предусмотрен температурный датчик 18, измеряющий температуру окружающего контейнер воздуха, блок для автоматического управления задаваемым температурным режимом и режимом давления 14. В стыке крышки 1 и основания 15 контейнера расположена твердая деформируемая прокладка 16, а наружный край стыка контейнера залит жидким полимеризующимся герметиком 17.
Способ осуществляется следующим образом. В теплоизолированный корпус на основание 15 контейнера устанавливают транспортируемое изделие 13, герметично закрывают корпус крышкой 1 и включают посредством блока 14, управляемого радиосигналом интеллектуального контроллера на базе микропроцессора (на фиг.1 не показано), в автоматический цикл работы электромагнитный клапан 9 с регулируемым дросселем 11 и систему кондиционирования 2.
2
2
Электромагнитный клапан 9 по показаниям датчика контроля перепада давления 10 автоматически обеспечивает контролируемую подачу газовой смеси из баллона 7 со сжатой газовой средой по выходному трубопроводу 8 в теплоизолированный корпус с превышением перепада давления в нем по сравнению с давлением окружающей среды не более чем, например, 0, 014 кгс/см. При этом регулируемый дроссель 11, позволяющий изменять расход через него газа, обеспечивает сглаживание скачков давления в теплоизолированном корпусе и тем самым создает благоприятные демпфирующие условия для работы электромагнитного клапана 9, датчика контроля перепада давления 10 и предохранительного клапана критичного давления 12, который настроен на срабатывание при перепаде разницы давлений в теплоизолированном корпусе и снаружи его более чем, например, на 0,02 кгс/см, что способствует сохранению запаса газа в баллонах.
Система кондиционирования 2 автоматически поддерживает контролируемую блоком 14 по показаниям температурных датчиков 3, 4 температуру газовой смеси внутри теплоизолированного корпуса 1 в диапазоне, например, (5,0-35,0)°С и измеряемую фактическую снаружи контейнера по температурному датчику 18 с обеспечением циркуляции газовой среды по всему объему корпуса и подогревом или охлаждением ее в зависимости от температуры наружной окружающей среды.
Наддув газовой смесью вышеуказанным образом контейнера до заданного минимального избыточного давления совместно с системой кондиционирования обеспечивает защиту груза от запыленности окружающей среды и от вредно воздействующих климатических факторов: повышенных, пониженных температуры и давления, повышенной влажности.
За счет того что теплоизолированный корпус выполнен практически абсолютно герметичным (вследствие применения в качестве средства герметизации разъемного стыка крышки контейнера с основанием контейнера твердой деформируемой прокладки 16 и жидкого полимеризующегося герметика 17), снабжен предохранительным клапаном критичного давления 12, баллон 7 со сжатой газовой средой с установленным на его выходном трубопроводе 8 управляемым электромагнитным клапаном 9 с регулируемым дросселем 11 установлен внутри теплоизолированного корпуса, обеспечено повышение точности регулирования перепада давления и температуры при снижении расхода газовой смеси из баллона 7, снижение энергопотребления системы кондиционирования 2. В случае расположения баллона 7 вне теплоизолированного корпуса (как в прототипе) в холодное время года из него подается холодная газовая смесь, на подогрев которой требуется дополнительная подогреваемая тепловая мощность от системы кондиционирования, а при высокой температуре наружной окружающей среды, например на уровне 40°С, из баллона 7 подается газовая смесь с температурой выше максимально допустимой в теплоизолированный корпус, что требует дополнительного расхода мощности системы кондиционирования на ее охлаждение.
Кроме того, указанные недостатки прототипа усиливаются неоправданно увеличенным расходом газовой смеси за счет преднамеренного снижения герметичности теплоизолированного корпуса для сброса избыточного давления из него через неплотности герметичного корпуса (см. 2-й абзац под номером 5 на полях описания работы прототипа).
Предложенный способ позволяет также применять целый ряд газовых смесей, что расширяет возможности его применения. Так, например, для перевозки овощей можно использовать азот в качестве газовой среды. Для транспортировки изделий в самолете в целях экологической безопасности рекомендуют использовать дыхательную газовую смесь, например воздух или гелий с кислородом.
Таким образом, предложенное решение позволяет обеспечить поддержание минимального избыточного давления газовой среды в герметичном транспортировочном контейнере в заданном диапазоне температур, снизить расход по наддуву газовой среды из автономного источника, снизить энергопотребление кондиционера, а также позволяет расширить возможности его применения.
На предприятии изготовлен опытный образец предложенного решения, на котором подтверждено выполнение улучшенных характеристик данным решением.
Из известных авторам источников информации заявителю не известны транспортировочные контейнеры с совокупностью отличительных признаков заявленного объекта.