УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗОНАЛЬНОГО ОБОГРЕВА КРИОГЕННОГО РЕГУЛИРУЮЩЕГО АППАРАТА
DEVICE FOR ZONAL HEATING OF CRYOGENIC CONTROL APPARATUS

Устройство относится к области криогенной техники и предназначено для обогрева регулирующих аппаратов, используемых в криогенных технологиях.
Известно устройство для зонального нагрева, содержащее нагревательные элементы, подключенные к источнику питания, размещенные в разъемном по образующей кожухе, состоящем из двух частей, причем форма нагревательных элементов повторяет форму нагреваемого объекта, нагревательные элементы соединены с одной стороны с токоподводами, с другой стороны - с кожухом, части кожуха соединены электрически между собой.
Недостатком известного устройства является необходимость проведения сборочных операций при смене обогреваемого объекта.
Наиболее близким является устройство для перекачки сжиженного газа, в частности регулирующего клапана, содержащего 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 криогенного регулирующего аппарата при температуре внутри аппарата порядка - 180°С, 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, а также возможность установки системы обогрева в работающем оборудовании без его разборки.
Технический эффект, заключающийся в обеспечении непрерывного режима работы криогенного оборудования, достигается тем, что в известное устройство, содержащее закрепленный в кожухе криогенной емкости полый корпус регулирующего аппарата, внутри которого размещен подвижный вдоль корпуса шток, связанный одним концом с выходом привода перемещения штока, а другим - с запирающим элементом клапана, изменяющего проходное сечение трубопровода, по которому протекает сжиженный газ, с наружной стороны корпуса регулирующего аппарата установлено не менее одного резистивного нагревательного элемента и датчика температуры, а также введены регулятор напряжения, задатчик температуры и регулирующее устройство, подключенное первым входом к выходу задатчика температуры, вторым входом - к выходу датчика температуры, а выходами - к управляющему входу регулятора напряжения, подключенного силовым входом к источнику питания.
Кроме того, в предлагаемом устройстве нагревательный элемент может быть выполнен разъемным по оси корпуса.
Предлагаемое устройство может быть также дополнено установленными на наружной стороне корпуса привода датчиком температуры и резистивным нагревательным элементом, аналогичными указанными выше, а также введены соединенные аналогично ранее введенным регулирующее устройство, задатчик температуры и регулятор напряжения.
Известно использование резистивных электрических нагревателей и автоматических регуляторов температуры для нагрева различных промышленных объектов (см. например, Автоматическое управление электротермическими установками: Учебник для вузов /A.M.Кручинин, К.М.Махмудов, Ю.М.Миронов и др.; Под ред. А.Д.Свенчанского. - М.: Энергоатомиздат, 1990, с.175-207). Применение резистивных нагревателей с системами автоматического регулирования температуры авторам не известно.
Устройство поясняется чертежами, где на фиг.1 схематично изображен разрез стенки камеры в месте установки регулирующего аппарата, а на фиг.2 - функциональная схема регулятора температуры.
вн
Устройство для обогрева криогенного регулирующего аппарата (фиг.1) содержит закрепленный в кожухе криогенной емкости полый корпус регулирующего аппарата 1, внутри которого размещен подвижный в осевом направлении корпуса шток 2, связанный одним концом с выходом привода 3 перемещения штока, а другим - с запирающим элементом 4, изменяющим проходное сечение трубопровода 5, по которому протекает находящийся в криогенной емкости сжиженный газ с температурой Θ, лежащей в диапазоне - 130-180°С. Стрелками на фиг.1 показано направление потока газа в трубопроводе 5. Криогенная камера на чертеже не приводится, поскольку ее форма (в виде цилиндра или призмы) не оказывает влияния на существо предложения. На фиг.1 приведен фрагмент оболочки (стенки) криогенной камеры, состоящей из внутренней 6 и наружной 7 стенок, полость между которыми заполнена насыпным теплоизолирующим материалом 8, например перлитом. В криогенной камере между внутренней и наружной стенками выделена полость для размещения регулирующего аппарата (цилиндрической или призматической формы, что несущественно), герметично отделенная от стенок 6 и 7 криогенной камеры оболочкой 9, которая также заполняется теплоизолирующим материалом 10 (например, стекловатой). Полый корпус 1 регулирующего аппарата установлен внутри полости образованной оболочкой 9 и стенками 6, 7 криогенной камеры. С наружной стороны корпуса 1 регулирующего аппарата установлено не менее одного резистивного нагревательного элемента 11 и датчика температуры 12. Число нагревательных элементов может быть произвольным и определяется с одной стороны, мощностью необходимой для нагрева аппарата до желаемой температуры, а с другой - размерами нагревательных элементов 11 и объемом полости, в которой размещен регулирующий аппарат
Для поддержания требуемой температуры корпуса 1 регулирующего аппарата введены регулятор напряжения 13, задатчик температуры 14 и регулирующее устройство 15. Первый вход регулирующего устройства 15 соединен с выходом задатчика температуры 14, второй вход устройства 13 соединен с выходом датчика температуры 12, а выходом - с управляющим входом регулятора напряжения 13, подключенного силовым входом к источнику питания 16 (фиг.2).
Для удобства монтажа каждый нагревательный элемент 11, охватывающий корпус 1 аппарата, целесообразно выполнять разъемным в направлении оси корпуса.
н
При низких температурах Θ окружающей среды и повышенной влажности может оказаться целесообразной установка на корпусе привода 3 дополнительных нагревательных элементов 17 и датчиков температуры 18, аналогичных основным нагревательным элементам 11 и датчикам 12. Схема подключения к источнику питания 16 дополнительных нагревательных 17 аналогична схеме подключения основных нагревательных элементов 11 (см. фиг.1).
Устройство работает следующим образом. В работающей криогенной установке сжиженный газ имеет температуру, лежащую в диапазоне - 130 -180°С, в то время как температура наружного воздуха может колебаться от - 40 до +40°С. При плюсовых температурах наружного воздуха, низкой влажности и хорошей теплоизоляции обледенение 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 1 предлагается устанавливать один или более нагревательный элемент 11 и датчик температуры 12, располагая его на некотором расстоянии от нагревательного элемента. Полость, ограниченная с одной стороны корпусом регулирующего аппарата, а с другой - оболочкой 9 криогенной камеры, как правило, имеет ограниченный объем и труднодоступна для установки каких-либо дополнительных элементов, поскольку в ней расположены различного рода опоры, удерживающие аппарат в криогенной камере.
Для удобства монтажа нагревательного элемента 11 в действующей криогенной установке его целесообразно выполнять в виде разъемного вдоль оси корпуса регулирующего аппарата 1 и плотно охватывающего последний кольца, осевые и радиальные размеры которого определяются расстоянием между удерживающими корпус регулирующего аппарата 1 опорами и диаметром технологической полости, окружающей корпус аппарата. По указанным причинам может оказаться более предпочтительным устанавливать несколько нагревательных элементов 11 меньшей длины и диаметра, чем один такой же мощности. Кроме того, установка нескольких нагревателей позволяет обеспечить лучшее распределение температур по длине аппарата, что благоприятно сказывается на его работоспособности. После установки нагревательных элементов 11 и термопар 12 полость вокруг корпуса регулирующего аппарата 1 заполняют теплоизоляционным материалом, например минеральной ватой, не взаимодействующей с кислородом.
Поддержание требуемого распределения температур корпуса 1 регулирующего аппарата исключает заклинивание подвижного штока 2 и обеспечивает надежное функционирование запирающего элемента 4 при изменении температуры и влажности окружающего воздуха в широких пределах.
При низких температурах окружающей среды мощности нагревательных элементов, установленных на корпусе 1 аппарата, может оказаться недостаточно для поддержания требуемой температуры привода 3, что может привести к его обледенению. Для исключения обледенения корпуса привода аппарата на его корпусе целесообразно установить дополнительные нагревательные элементы и датчик температуры, аналогичные установленным на корпусе 1. Регулирование мощности нагревательного элемента, установленного на корпусе привода 3, осуществляется с помощью регулятора температуры (фиг.2), аналогичного регулятору температуры, используемому для нагревательных элементов, установленных на корпусе 1 аппарата.
3
з
Для обеспечения работоспособности аппарата при изменении температуры окружающей среды необходимо регулировать мощность, поступающую на нагревательный элемент 11, поддерживая тем самым заданную температуру корпуса регулирующего аппарата 1. Поддержание требуемой температуры корпуса 1 регулирующего аппарата обеспечивается с помощью системы автоматического регулирования температуры, включающей в себя (для каждого нагревательного элемента 11) регулятор напряжения 13, регулирующее устройство 15, задатчик температуры 14 и датчик температуры 12. Регулятор напряжения 13 подключен силовым входом к источнику питания 16 (питающей сети переменного тока), а управляющим входом - к выходу регулирующего устройства 15. Регулирующее устройство 15 сравнивает сигнал 0, поступающий от задатчика температуры 14, с сигналом 0 обратной связи, поступающим от датчика температуры 12, расположенного на корпусе 1 аппарата. На выходе регулирующего устройства 15 вырабатывается сигнал, пропорциональный разности температур ΔΘ=Θ-Θ, который обеспечивает регулирование мощности, поступающей в нагревательный элемент 11. Как следует из приведенного выражения, изменение температуры Θ корпуса 1 регулирующего аппарата при изменении температуры окружающей среды будет приводить к изменению мощности, поступающей в нагревательный элемент и, следовательно, будет приводить к восстановлению заданного температурного режима аппарата.
з
В настоящее время регулятор напряжения 13 выполняется на тиристорах и выпускается серийно. Регулирующее устройство 15 выполняется, как правило, в виде серийно выпускаемого программируемого микропроцессорного контроллера, в котором оператором задается на дисплее требуемая температура Θ. В качестве датчика температуры 12 целесообразно использовать стандартную термопару, например хромель-копелевую. Таким образом, реализация регулятора температуры не вызывает трудностей и выполняется на серийных покупных элементах.