Устройство для обогрева криогенного аппарата
DEVICE FOR HEATING A CRYOGENIC APPARATUS

Устройство относится к области криогенной техники и предназначено для обогрева регулирующих аппаратов, используемых в криогенных технологиях.
Аналогом предлагаемого устройства является устройство для перекачки сжиженного газа, в частности регулирующего клапана, содержащее 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 окружающей среды элементы регулирующего аппарата, находящиеся снаружи криогенной емкости, обледеневают. При низких температурах и повышенной влажности воздуха лед образуется не только на 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 в подвижном элементе аппарата по всей его длине, при котором исключается образование наледи и заклинивание подвижных соединений.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является устройство, содержащее размещенный вблизи обогреваемого аппарата электрический нагреватель, подключенный к выходу регулятора напряжения, соединенного входом с выходом регулирующего устройства, первый вход которого связан с задатчиком температуры обогреваемого аппарата, а второй - с выходом датчика температуры обогреваемого аппарата (см., например, патент РФ №2521102, МПК Н05В 1/02).
Недостатком данного устройства является то, что при изменении температуры криогенного продукта и окружающей среды параметры нагревательного элемента, в частности, температурный коэффициент сопротивления материала, из которого выполняется нагревательный элемент, изменяется в широких пределах. Так, например, при включении системы электрообогрева температура нагревательного элемента, контактирующего с элементами регулирующего аппарата имеющими отрицательную температуру на уровне - 130 - -180°C, будет иметь низкое электрическое сопротивление. По мере разогрева самого нагревательного элемента его температура будет увеличиваться, а электрическое сопротивление нагревателя расти. Величина электрического сопротивления холодного и нагретого нагревателя в зависимости от материала, из которого он выполнен, может изменяться в несколько раз. Учитывая, что требуемая для нормальной работы электрического нагревателя мощность рассчитывается для нагревателя, работающего при положительных температурах, подключение его к источнику питания в начальный момент времени, когда он имеет низкое электрическое сопротивление, приведет к значительному увеличению тока нагревателя. Поскольку пределы изменения температуры нагревателя и его сопротивления трудно контролировать, то учесть их при проектировании системы обогрева практически невозможно. Это вызывает при включении нагревателя значительное увеличение тока, что в свою очередь может привести к выходу из строя (пробою) тиристоров регулятора напряжения.
Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, состоит в обеспечении желаемого распределения температур в подвижном элементе аппарата по всей его длине, при котором исключается образование наледи и заклинивание подвижных соединений. Решение этой задачи состоит в обеспечении надежной работы тиристорного регулятора напряжения путем ограничения тока нагревателя на допустимом уровне при изменениях его сопротивления.
Технический эффект, заключающийся в обеспечении бесперебойного режима работы криогенного оборудования, достигается тем, что известное устройство, содержащее размещенный вблизи обогреваемого элемента аппарата электрический нагреватель, последовательно подключенные к нему регулятор напряжения, снабженный источником питания, регулирующее устройство, датчик температуры обогреваемого аппарата, задатчик температуры обогреваемого аппарата и элемент сравнения, согласно изобретению, снабжено датчиком тока, дополнительным элементом сравнения и ограничителем напряжения, вход регулирующего устройства соединен с выходом дополнительного элемента сравнения, вычитающий вход дополнительного элемента сравнения подключен к сигнальному выходу датчика тока, а суммирующий вход - к выходу ограничителя напряжения, соединенного входом с выходом элемента сравнения, подключенного суммирующим входом к выходу задатчика температуры, а вычитающим входом - к датчику температуры обогреваемого аппарата, причем силовой вход датчика тока подключен к выходу регулятора напряжения.
Устройство поясняется чертежом, на котором изображена функциональная схема системы для регулирования температуры криогенного аппарата.
Устройство для обогрева криогенного регулирующего аппарата содержит размещенный вблизи обогреваемого элемента аппарата электрический нагреватель 1, подключенный к выходу регулятора напряжения 2, снабженного источником питания 3, силовой выход регулятора напряжения подключен к входу электрического нагревателя 1, а сигнальный вход - к выходу регулирующего устройства 4, соединенного входом с выходом дополнительного элемента сравнения 5, вычитающий вход которого подключен к сигнальному выходу датчика тока 6, а суммирующий вход - к выходу ограничителя напряжения 7, соединенного входом с выходом элемента сравнения 8, подключенного суммирующим входом к выходу задатчика температуры 9, а вычитающим входом - к датчику температуры 10 обогреваемого аппарата, причем силовой вход датчика тока 6 подключен к выходу регулятора напряжения 2.
Устройство работает следующим образом. В работающей криогенной установке сжиженный газ имеет температуру, лежащую в диапазоне - 130 - -180°C, в то время как температура наружного воздуха (окружающей среды) может колебаться от - 40 до +40°C, а электрического нагревателя - от - 100 до +150°C. При плюсовых температурах окружающей среды обледенения трущихся деталей аппарата, как правило, не происходит. Однако при 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 устанавливают электрический нагревательный элемент 1. Электрический нагревательный элемент 1 может быть выполнен в виде резистивного элемента, как показано в устройстве, описанном в указанном выше патенте РФ №2521102, или в виде индукционного нагревателя, описанного в патенте РФ на полезную модель №144886. Предлагаемая структура устройства инвариантна относительно вида электрического нагревателя и его конструктивного выполнения и является универсальной для обогрева криогенных аппаратов.
а
o
а
а
з
а
з
а
а
Для поддержания требуемой температуры обогреваемого аппарата (на чертеже не показан) в устройстве используются регулятор напряжения 2 с источником питания 3, датчик температуры обогреваемого аппарата 10, задатчик 11 температуры Θ обогреваемого аппарата и регулирующее устройство 4. Для обеспечения работоспособности аппарата при изменении температуры окружающей среды Θ необходимо регулировать мощность, поступающую от источника питания 3 на электрический нагреватель 1, поддерживая, тем самым, заданную температуру Θ обогреваемого аппарата. Поддержание заданной температуры Θ обогреваемого аппарата осуществляется системой регулирования температуры, включающей в себя регулятор напряжения 2, датчик температуры 10, регулирующее устройство 4 и дополнительный элемент сравнения 5. Элемент сравнения 8 сравнивает сигнал Θ поступающий от задатчика температуры 9, с сигналом Θ обратной связи, поступающим от датчика температуры обогреваемого аппарата 10, расположенного на корпусе обогреваемого аппарата. На выходе регулирующего устройства 4 вырабатывается сигнал, пропорциональный разности температур ΔΘ=Θ-Θ, который обеспечивает регулирование мощности, поступающей от регулятора напряжения 2 в электрический нагреватель 1. Как следует из приведенного выражения, изменение температуры Θ будет приводить к изменению мощности, поступающей в электрический нагреватель 1 и, следовательно, восстановлению заданного температурного режима аппарата.
з
з
з
Как правило, выбор заданного значения температуры Θ производится для каких-то усредненных значений параметров окружающей среды. Учитывая трудность и большую погрешность в определении теплотехнических параметров обогреваемого аппарата и электрического нагревателя, рассчитать значение заданной температуры Θ, требуемое для обеспечения работоспособности аппарата, и мощности электрического нагревателя практически невозможно. Поэтому чаще всего оператору необходимо производить перенастройку регулятора температуры и изменять мощность регулятора напряжения. В противном случае работа с постоянным значением температуры задания, т.е. при Θ=const, будет приводить к перегреву обогреваемого аппарата и выходу из строя регулятора напряжения при высоких температурах окружающей среды, а при низких температурах - к обледенению аппарата из-за недостаточной мощности, вводимой в электрический нагреватель.
з
а
Для повышения надежности работы системы электрообогрева в устройство дополнительно вводят контур стабилизации тока нагревателя, включающий в себя датчик тока 6, дополнительный элемент сравнения 5 и ограничитель напряжения 8. Выход элемента сравнения 8 подключают через ограничитель напряжения 7 к суммирующему входу дополнительного элемента сравнения 5, вычитающий вход которого соединяют с датчиком тока 6. Контур стабилизации тока электрического нагревателя аналогичен по структуре контуру стабилизации температуры нагревателя. В нем роль задатчика тока выполняет ограничитель напряжения 7. Необходимость его введения вызвана тем, что при работе контура стабилизации температуры нагревателя сигнал на выходе элемента сравнения 8, пропорциональный разности температур ΔΘ=Θ-Θ, будет изменяться, следовательно, будет изменяться и заданное значение тока нагревателя. Как уже отмечалось выше, из-за изменения температуры нагревателя будет изменяться его электрическое сопротивление и, следовательно, ток. Контур стабилизации тока стабилизирует ток нагревателя при изменении, как сопротивления, так и напряжения регулятора напряжения 2, исключая тем самым превышение тока регулятора напряжения 2 выше допустимого значения при изменении параметров нагревателя и его температуры.
В настоящее время регулятор напряжения 2 выполняется на тиристорах и выпускается серийно. Регулирующее устройство 4 и элементы сравнения выполняются, как правило, в виде серийно выпускаемого программируемого микропроцессорного контроллера. В качестве датчиков тока и температуры обогреваемого аппарата целесообразно использовать стандартные датчик тока и термопару, например хромель-копелевую.