УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗОНАЛЬНОГО ОБОГРЕВА КРИОГЕННОГО РЕГУЛИРУЮЩЕГО АППАРАТА

Устройство относится к области криогенной техники и предназначено для обогрева регулирующих аппаратов, используемых в криогенных технологиях.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является устройство для зонального обогрева криогенного регулирующего аппарата, содержащего 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, изменяющим проходное сечение трубопровода, и не менее одного электрического нагревателя, снабженного регулятором мощности, подключенным силовым входом к источнику питания, а управляющим входом к выходу задатчика мощности (см. например, патент РФ на полезную модель №131929, МПК: H05B 1/02).
Недостатком данного устройства является низкая эффективность нагрева подвижных элементов регулирующего аппарата, что обусловлено наличием электроизоляции, отделяющей собственно нагреватель от корпуса регулирующего аппарата, и неплотное прилегание нагревателя к корпусу клапана. Электроизоляция, также как и корпус аппарата, обладают большим тепловым сопротивлением, что снижает эффективность нагрева подвижных элементов регулирующего аппарата. В тоже время лед, образуемый в опорах, по которым перемещаются подвижные элементы аппарата, вызывает их заклинивание и может привести к потере работоспособности клапана, вплоть до выхода его из строя.
Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, состоит в повышении эффективности электрообогрева. Технический эффект, возникающий при решении поставленной задачи, заключается в непосредственном нагреве неподвижных и подвижных конструктивных элементов регулирующего аппарата путем протекающих по ним токов, что исключает образование наледи и заклинивание подвижных соединений.
Поставленная задача решается тем, что в известном устройстве зонального обогрева криогенного регулирующего аппарата, содержащем 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, изменяющим проходное сечение трубопровода, и не менее одного электрического нагревателя, снабженного регулятором мощности, подключенным силовым входом к источнику питания, а управляющим входом к выходу задатчика мощности, согласно полезной модели, электрический нагреватель выполнен в виде разомкнутого П-образного сердечника с размещенной на нем электрической катушкой, примыкающего торцами сердечника к корпусу регулирующего аппарата, а электрическая катушка подключена к выходу регулятора мощности.
Кроме того, в предлагаемом устройстве регулятор мощности может быть выполнен в виде преобразователя частоты.
Устройство поясняется чертежом, на котором схематично изображены разрез стенки камеры в месте установки регулирующего аппарата и функциональная схема системы электропитания индукционного нагревателя.
Β
H
Устройство для обогрева криогенного регулирующего аппарата содержит закрепленный в кожухе криогенной емкости полый корпус 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 клапана, изменяющего проходное сечение трубопровода 5, по которому протекает находящийся в криогенной емкости сжиженный газ, имеющий температуру Θ, лежащую в диапазоне 130°-196°C. Стрелками на чертеже обозначено направление потока газа в трубопроводе 5 и перемещение штока 2 внутри корпуса 1. Криогенная камера на чертеже не приводится, поскольку ее размеры значительно превышают размеры регулирующего аппарата, а форма (в виде цилиндра или призмы) не оказывает влияния на существо предложения. На чертеже 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 криогенного регулирующего аппарата установлен внутри полости, образованной оболочкой 9 и стенками 6, 7 криогенной камеры. С наружной стороны корпуса 1 аппарата установлено не менее одного электрического нагревателя 11 в виде разомкнутого П-образного сердечника с размещенной на нем электрической катушкой 12, примыкающего торцами сердечника к корпусу регулирующего аппарата 1, а электрическая катушка 12 подключена к выходу регулятора мощности 13. Регулятор мощности 13, силовым входом подключен к выходу источника питания 14, а управляющим входом - к выходу задатчика мощности 15. Элементы электропитания электрического нагревателя 11 располагаются на наружной стенке 7 криогенной камеры, т.е. находятся под действием температуры наружного воздуха Θ. Число электрических нагревателей и элементов их электропитания может быть произвольным и определяется с одной стороны, мощностью, необходимой для нагрева регулирующего аппарата до желаемой температуры, а с другой - размерами П-образного сердечника и объемом полости, в которой размещен регулирующий аппарат.
Мощность, выделяемая в элементах регулирующего аппарата 1 при протекании по ним наведенных П-образным сердечником с электрической катушкой токов, зависит от частоты питающего напряжения, поэтому для обеспечения желаемого режима нагрева регулятор мощности может быть выполнен в виде преобразователя частоты, что не изменяет существа предложения.
Η
Устройство работает следующим образом. В работающей криогенной установке сжиженный газ имеет температуру, лежащую в диапазоне 130°-196°C, в то время, как температура Θ наружного воздуха может колебаться от - 40° до +40°C. При плюсовых температурах наружного воздуха, низкой влажности и хорошей теплоизоляции обледенение трущихся деталей регулирующего аппарата, как правило, не происходит. Однако при увеличении влажности воздуха и понижении температуры окружающей среды происходит обледенение подвижных элементов регулирующего аппарата, как внутри его корпуса, так и снаружи. Для обеспечения работоспособности регулирующего аппарата при низких температурах окружающей среды на его корпусе предлагается устанавливать один или более электрических нагревателей 11.
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 регулирующий аппарат в криогенной камере. Для удобства монтажа П-образные сердечники 11 электрического нагревателя в действующей криогенной установке целесообразно выполнять плоскими и располагать их на противоположных сторонах корпуса 1 регулирующего аппарата. После установки электрических нагревателей полость вокруг корпуса 1 регулирующего аппарата 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 клапана при изменении температуры и влажности окружающего воздуха в широких пределах. Нагрев неподвижных и подвижных элементов в предлагаемом устройстве обеспечивается теплотой, выделяемой в самих элементах при протекании по ним токов, наведенных магнитным полем электрического нагревателя 11. По существу при предлагаемом выполнении электрического нагревателя конструкционные элементы регулирующего аппарата 1 представляют собой вторичную короткозамкнутую обмотку трансформатора, мощность электрических потерь в которой преобразуется в тепловую энергию, обеспечивающую нагрев элементов регулирующего аппарата. Такой способ нагрева особенно эффективно позволяет обогревать подвижные элементы регулирующего аппарата, обогрев которых с помощью резистивных нагревателей затруднен и малоэффективен.
Для обеспечения работоспособности аппарата при изменении температуры окружающей среды необходимо регулировать мощность, поступающую на электрическую катушку 12, что осуществляется путем изменения задания мощности на выходе задатчика мощности 15 и, соответственно, приводит к изменению управляющего сигнала на входе регулятора мощности 13.
В качестве регулятора мощности 13 может быть применен серийно выпускаемый тиристорный преобразователь. Питание электрического нагревателя 11 может осуществляться также и от преобразователя частоты, что позволяет обеспечить лучшие условия согласования размеров электрического нагревателя 11 и требуемой для обогрева мощности. Преобразователи как пониженной, так и повышенной частоты выпускаются серийно. Задатчик мощности 15 выполняется, как правило, в виде серийно выпускаемого программируемого микропроцессорного контроллера, в котором оператором задается на дисплее требуемая мощность.