УСТАНОВКА ДОЗИРОВАННОЙ ИНЖЕКЦИИ КРИОГЕННОЙ ЖИДКОСТИ И СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ДЛЯ НЕЕ
FACILITY FOR DOSED INJECTION OF CRYOGENIC LIQUID AND ITS CONTROL SYSTEM

Изобретение относится к криогенной технике, а именно к устройствам дозированной инжекции криогенной жидкости и, в том числе, для капельного дозирования криогенной жидкости. Особенно целесообразно применение его для дозированной подачи жидкого азота в герметизируемую тару, перемещаемую транспортером, например бутылки, банки, пакеты, и т.п. емкости с пищевыми продуктами и напитками, а также биологическими или фармацевтическими веществами для создания в них безопасной инертной среды и избыточного давления после герметизации (закупорки) этих емкостей.
Известно устройство для дозированной инжекции криогенных жидкостей по патенту США №5743096, МПК7: F17C 007/02, выбранное в качестве прототипа.
Устройство содержит сосуд для криогенной жидкости с клапаном для заправки и поддержания уровня, штуцер для отвода пара из сосуда и дозатор, включающий клапан с управляемым приводом и цилиндр с входными отверстиями, выходное отверстие в седле, при этом входные отверстия в цилиндре сообщены с полостью сосуда для криогенной жидкости. Прототип содержит также канал для подъема парожидкостной смеси.
Указанные сосуд для криогенной жидкости, дозатор и патрубок имеют теплоизоляцию. Концевой формирователь впрыскиваемой жидкости снабжен подогревателем для исключения льдообразования.
3
3
Недостатком прототипа устройства является невозможность обеспечения выдачи равных объемов криогенной жидкости в каждую перемещающуюся на конвейере емкость, особенно при впрыске капель с объемом в диапазоне от 0,2 см до 1 см при производительности линии розлива до 25000 емкостей и выше в час.
Прототип системы управления дозированной инжекции криогенной жидкости не выявлен.
Задачей изобретения является обеспечение возможности гарантированной дозированной инжекции криогенной жидкости при скоростях линии розлива как ниже, так и выше порогового значения, например, при скоростях линии розлива меньших, или больших 25000 емкостей (например, бутылок) в час.
Задача решается тем, что в предлагаемой установке, содержащей питающую емкость, сообщенную через постоянно открытый клапан выдачи криогенной жидкости, линию подачи криогенной жидкости и клапан заправки дозирующей емкости, с дозирующей емкостью, снабженной датчиками давления и уровня криогенной жидкости, а также клапаном сброса избыточного давления, при этом дозирующая емкость сообщена с дозирующим клапаном, введены ресивер с датчиком давления газа наддува, испаритель криогенной жидкости, дюза, причем вход испарителя через линию подачи криогенной жидкости, клапан подачи криогенной жидкости на испаритель и постоянно открытый клапан выдачи криогенной жидкости сообщен с питающей емкостью, один выход по газу испарителя криогенной жидкости сообщен с входом ресивера, а другой его выход по газу через подогреватель и дюзу - с зоной вокруг выходного отверстия дозирующего клапана; выход ресивера через клапан подачи газа наддува сообщен с газовой полостью дозирующей емкости.
Задача решается также тем, что предложена система управления дозированной инжекцией криогенной жидкости, в которую введены датчик скорости линии розлива, задатчик порогового значения скорости линии розлива, выходы которых подключены к входам первой схемы сравнения, первый выход которой соединен с первым входом схемы совпадения «И», второй вход которой соединен с выходом фотодатчика; выход схемы совпадения «И» подключен к первому входу первой схемы «ИЛИ», а ее выход через формирователь сигнала открытия дозирующего клапана и схему задержки - к дозирующему клапану, к которому через формирователь сигнала закрытия дозирующего клапана подключен датчик нижнего положения дозирующего клапана; второй выход первой схемы сравнения соединен с вторым входом первой схемы «ИЛИ» и первым входом второй схемы «ИЛИ», выход которой через формирователь сигнала закрытия клапана сброса избыточного давления подключен к клапану сброса избыточного давления; третий выход первой схемы сравнения соединен с первым входом третьей схемы «ИЛИ», выход которой через формирователь сигнала открытия клапана подачи газа наддува подключен к клапану подачи газа наддува; выходы датчика давления и задатчика давления в дозирующей емкости, соответствующего скорости линии розлива, больше порогового значения, соединены с входами второй схемы сравнения, первый выход которой соединен со вторыми входами второй и третьей схем «ИЛИ» соответственно, второй выход второй схемы сравнения подключен к третьему входу второй схемы «ИЛИ» и к первому входу четвертой схемы «ИЛИ» соответственно, а третий выход второй схемы сравнения соединен с вторым входом четвертой схемы «ИЛИ» и с входом формирователя сигнала открытия клапана сброса избыточного давления, подключенного к клапану сброса избыточного давления соответственно, при этом выход четвертой схемы «ИЛИ» соединен через формирователь сигнала закрытия клапана подачи газа наддува с клапаном подачи газа наддува, при этом вход задатчика давления в дозирующей емкости, соответствующего скорости линии розлива, больше порогового значения, соединен с выходом блока задания давления в дозирующей емкости в зависимости от скорости линии розлива, вход которого подключен к выходу датчика скорости линии розлива.
Предложенная установка изображена на Фиг.1, на Фиг.2 изображена система управления этой установкой при разных скоростных режимах.
На фигурах:
1 - питающая емкость;
2 - дозирующая емкость;
3 - клапан выдачи криогенной жидкости;
4 - линия подачи криогенной жидкости;
5 - клапан заправки дозирующей емкости;
6 - датчик давления;
7 - датчик уровня криогенной жидкости;
8 - клапан сброса избыточного давления;
9 - дозирующий клапан;
10 - ресивер;
11 - клапан подачи газа наддува;
12 - датчик давления газа наддува;
13 - клапан подачи криогенной жидкости на испаритель;
14 - линия подачи криогенной жидкости в испаритель;
15 - испаритель криогенной жидкости;
16 - подогреватель;
17 - дюза;
18 - фотодатчик;
19 - датчик скорости линии розлива;
20 - задатчик порогового значения скорости линии розлива;
21 - первая схема сравнения;
22 - схема совпадения «И»;
23 - первая схема «ИЛИ»;
24 - формирователь сигнала открытия дозирующего клапана;
25 - схема задержки;
26 - датчик нижнего положения дозирующего клапана;
27 - формирователь сигнала закрытия дозирующего клапана;
28 - вторая схема «ИЛИ»;
29 - третья схема «ИЛИ»;
30 - формирователь сигнала закрытия клапана сброса избыточного давления;
31 - формирователь сигнала открытия клапана подачи газа наддува;
32 - задатчик давления в дозирующей емкости, соответствующего скорости линии розлива больше порогового значения;
33 - блок задания давления в дозирующей емкости в зависимости от скорости линии розлива;
34 - вторая схема сравнения;
35 - четвертая схема «ИЛИ»;
36 - формирователь сигнала открытия клапана сброса избыточного давления;
37 - формирователь сигнала закрытия клапана подачи газа наддува;
38 - линия розлива.
Предлагаемая установка состоит из питающей емкости 1, сообщенной через постоянно открытый клапан выдачи криогенной жидкости 3, линию подачи криогенной жидкости 4 и клапан заправки дозирующей емкости 5 с дозирующей емкостью 2, которая сообщается с дозирующим клапаном 9, подающим криогенную жидкость в тару, например, бутылку, движущуюся на линии розлива 38. Дозирующая емкость 2 снабжена клапаном сброса избыточного давления 8, датчиком давления 6 и датчиком уровня криогенной жидкости 7. Кроме того, в устройство введены ресивер 10 с датчиком давления газа наддува 12, при этом упомянутый ресивер 10 через клапан подачи газа наддува 11 сообщен с газовой полостью дозирующей емкости 2. Вход ресивера 10 сообщен с испарителем криогенной жидкости 15, который в свою очередь линией подачи криогенной жидкости в испаритель 14 и через клапан подачи криогенной жидкости на испаритель 13 сообщен с питающей емкостью 1. Выход испарителя криогенной жидкости 15 через подогреватель 16 также сообщен через дюзу 17 с зоной вокруг выходного отверстия дозирующего клапана 9 для предотвращения его обледенения. Постоянный расход через эту линию позволяет также уменьшить инерционные процессы восстановления давления в ресивере газообразной фазы криогенной жидкости (образование газообразной фазы на испарителе ускоряется).
Предлагаемая система управления содержит фотодатчик 18, фиксирующий появление бутылки на линии розлива 38 продукта напротив дозирующего клапана 9, датчик скорости линии розлива 19, задатчик порогового значения скорости линии розлива 20, выходы двух последних подключены к входам первой схемы сравнения 21, первый выход которой соединен с первым входом схемы совпадения «И» 22, второй вход последней соединен с выходом фотодатчика 18; выход схемы совпадения «И» 22 подключен к первому входу первой схемы «ИЛИ» 23, а ее выход через формирователь сигнала открытия дозирующего клапана 24 и схему задержки 25 - к дозирующему клапану 9, к которому через формирователь сигнала закрытия дозирующего клапана 27 подключен также датчик нижнего положения дозирующего клапана 26; второй выход первой схемы сравнения 21 соединен со вторым входом первой схемы «ИЛИ» 23 и с первым входом второй схемы «ИЛИ» 28, выход которой через формирователь сигнала закрытия клапана сброса избыточного давления 30 подключен к клапану сброса 8; третий выход первой схемы сравнения 21 соединен с первым входом третьей схемы «ИЛИ» 29, выход которой через формирователь сигнала открытия клапана подачи газа наддува 31 подключен к клапану подачи газа наддува 11; выходы датчика давления 6 и задатчика давления в дозирующей емкости, соответствующего скорости линии розлива больше порогового значения 32, соединены с входами второй схемы сравнения 34, первый выход которой соединен с вторыми входами второй 28 и третьей 29 схем «ИЛИ» соответственно, второй выход второй схемы сравнения 34 подключен к третьему входу второй схемы «ИЛИ» 28 и к первому входу четвертой схемы «ИЛИ» 35 соответственно, а третий выход второй схемы сравнения 34 соединен с вторым входом четвертой схемы «ИЛИ» 35 и с входом формирователя сигнала открытия клапана сброса избыточного давления 36, подключенного к клапану сброса избыточного давления 8 соответственно, при этом выход четвертой схемы «ИЛИ» 35 соединен через формирователь сигнала закрытия клапана подачи газа наддува 37 с клапаном подачи газа наддува 11, при этом вход задатчика давления в дозирующей емкости, соответствующего скорости линии розлива больше порогового значения 32, соединен с выходом блока задания давления в зависимости от скорости линии розлива 33, вход которого подключен к выходу датчика скорости линии розлива 19.
Предлагаемые установка и система функционируют следующим образом. Покажем на примере дозированной инжекции жидкого азота.
Из питающей емкости 1 через постоянно открытый клапан выдачи криогенной жидкости 3, например жидкого азота, линию подачи криогенной жидкости 4, например жидкого азота, и клапан заправки дозирующей емкости 5, в дозирующую емкость 2 подается жидкий азот до заданного уровня, контролируемого датчиком уровня криогенной жидкости 7.
Установка работает в двух режимах: в режиме дозирования при скорости линии розлива меньшей порогового значения, например меньшей 25000 бутылок в час, и в скоростном режиме при скорости линии розлива больше порогового значения, например больше 25000 бутылок в час.
Переключение режимов осуществляет система управления.
В режиме дозирования при скорости меньшей или равной 25000 бутылок в час датчик скорости линии розлива 19 выдает сигнал на первый вход первой схемы сравнения 21, на второй вход которой подается сигнал с задатчика порогового значения скорости розлива 20, и, если разность этих значений равна или меньше нуля, то на выходе первой схемы сравнения 21 вырабатывается сигнал на первый вход схемы совпадения «И» 22. Когда на второй вход схемы совпадения «И» 22 приходит сигнал от фотодатчика 18, фиксирующего наличие заполняемой тары, например бутылки, напротив дозирующего клапана 9, на выходе схемы совпадения «И» 22 появляется сигнал, который через первую схему «ИЛИ» 23 поступает на вход формирователя сигнала открытия дозирующего клапана 24 и через схему задержки 25 - на дозирующий клапан. Дозирующий клапан 9 открывается, и доза жидкого азота капельно подается в бутылку. Схема задержки 25 может быть выполнена в виде реле времени и служит для временной задержки открытия дозирующего клапана с целью регулирования его работы в зависимости от скорости линии розлива, типа тары (ее объема, конфигурации и т.п.), характеристик заливаемого в тару продукта и т.п., при этом это время может подстраиваться в том числе и вручную.
В этом режиме не требуется создания избыточного давления в дозирующей емкости 2, т.к. необходимое давление в ней не превосходит заданного допустимого: жидкий азот в ней не перегрет, что создает условие для капельного впрыскивания жидкого азота в полость бутылки с минимальным разбрызгиванием.
Дозирующий клапан 9 закрывается, и срабатывает датчик нижнего положения дозирующего клапана 26, в формирователе сигнала закрытия дозирующего клапана 27 вырабатывается команда готовности дозирующего клапана 9 к выдаче очередной дозы. При появлении очередной бутылки для указанного режима описанный цикл повторяется.
При увеличении скорости линии розлива больше порогового значения, например больше 25000 бутылок в час, инерционность процессов движения жидкости, ее кипения и конденсации пара превышает периодичность цикла, при этом создается эффект постоянного протекания жидкого азота через дозирующий клапан 9.
При переходе на этот скоростной режим сигналы с датчика скорости линии розлива 19 и с задатчика порогового значения скорости розлива 20, соответствующей значению скорости линии розлива больше порогового значения, поступают на первый и второй входы первой схемы сравнения 21 и, при равенстве разницы этих значений больше нуля, на ее выходе вырабатывается сигнал, который через схему «ИЛИ» 23 поступает на вход формирователя сигнала открытия дозирующего клапана 24, который приводится в состояние готовности к работе. Одновременно, в этом режиме, сигнал с первой схемы сравнения 21 подается на первые входы второй 28 и третьей 29 схем «ИЛИ» соответственно, выходы которых подключены к первым входам формирователя сигнала закрытия клапана сброса избыточного давления 30 и формирователя сигнала открытия клапана подачи газа наддува 31. В результате клапан сброса избыточного давления 8 закрывается, а клапан подачи газа наддува 11 открывается, газообразный азот подается из ресивера 10 через клапан подачи газа наддува 11 в газовую полость дозирующей емкости 2, создавая давление, необходимое для струйной подачи жидкого азота через дозирующий клапан 9 в бутылку на линии розлива при увеличении скорости линии розлива 38.
При расходе жидкого азота через дозирующий клапан в этом режиме давление в ресивере 10 падает, при этом за счет изменения давления в дозирующей емкости жидкий азот через всегда открытый клапан подачи жидкого азота на испаритель 13 и линию подачи жидкого азота в испаритель 14 поступает на испаритель 15, откуда уже газообразный азот поступает в ресивер 10 до значения давления в нем, равного необходимому для скоростного режима работы линии розлива 38, что фиксирует датчик давления газа наддува 12.
В случае возникновения в газовой полости дозирующей емкости 2 давления, выше максимально допустимого значения, соответствующего давлению в режиме скорости линии розлива, превышающей пороговое значение (например 25000 бутылок в час), сигнал с датчика давления дозирующей емкости 6 поступает на первый вход второй схемы сравнения 34, на второй вход которой поступает сигнал с задатчика давления в дозирующей емкости, соответствующего скорости линии розлива, большей порогового значения 32, и при разнице этих значений давления больше нуля на третьем выходе второй схемы сравнения 34 появляется сигнал, который через формирователь сигнала открытия клапана сброса избыточного давления 36 поступает на клапан сброса избыточного давления 8, и он открывается, также этот сигнал с третьего выхода второй схемы сравнения 34 поступает на второй вход четвертой схемы «ИЛИ» 35, с выхода которой поступает сигнал на формирователь сигнала на закрытие клапана подачи газа наддува 37, и клапан подачи газа наддува 11 закрывается.
При разнице значений давления в газовой полости дозирующей емкости 2 и давления ниже значения максимально допустимого значения, соответствующего давлению в режиме скорости линии розлива, с второго выхода второй схемы сравнения 34 поступает сигнал на второй вход второй 28 и второй вход третьей 29 схем «ИЛИ» соответственно, при этом с выхода второй схемы «ИЛИ» 28 поступает сигнал на вход формирователя сигнала закрытия клапана сброса избыточного давления 30, закрывающего клапан сброса избыточного давления, а с выхода третьей схемы «ИЛИ» 29 поступает сигнал на формирователь сигнала открытия клапана подачи газа наддува 31, открывающего клапан подачи газа наддува 11.
Если же в газовой полости дозирующей емкости 2 давление равно или близко максимально допустимому значению, соответствующему давлению в режиме скорости линии розлива, превышающей пороговое значение, то сигнал с второго выхода второй схемы сравнения 34 поступает на третий вход второй схемы «ИЛИ» 28 и через формирователь сигнала закрытия клапана сброса избыточного давления 30 закрывает клапан сброса избыточного давления 8; одновременно сигнал с этого выхода второй схемы сравнения 34 поступает на второй вход четвертой схемы «ИЛИ» 35, при этом с ее выхода поступает сигнал на вход формирователя сигнала закрытия клапана подачи газа наддува 37, закрывающего клапан подачи газа наддува 11.
Предлагаемые установка и система управления позволяют обеспечить возможность точного дозирования жидкого азот в тару, например в бутылку, как при скоростях линии розлива до 25000 бутылок в час, так и выше этого значения.
Установка может быть изготовлена промышленным образом. Комплектующие установки производятся по известным технологиям. Датчики системы могут быть типовыми. Схемы сравнения могут быть выполнены, например, в виде компараторов.
Задатчики могут быть выполнены в виде известных запоминающих устройств. Схемы «И» и «ИЛИ» реализуют Булевы функции и могут быть выполнены, например, на триггерах.
Формирователи сигналов могут быть выполнены, например, на транзисторных схемах. Изготовлен экспериментальный образец, который прошел успешно испытания.