Оптимизированное управление нагревателем для осушителя воздуха
OPTIMIZED HEATER CONTROL FOR AIR DRIER

ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
1. ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0001] Настоящее изобретение относится к осушителям воздуха
железнодорожной воздушной системы и, более конкретно, к осушителю воздуха, имеющему систему управления клапанным блоком нагревателя.
2. ОПИСАНИЕ УРОВНЯ ТЕХНИКИ
[0002] Типичный «двухколонный» осушитель воздуха влагопоглощающего типа содержит два осушающих контура, которые управляются клапанами. Влажный воздух на входе проходит через один контур для удаления водяного пара, в то время как сухой обратный поток воздуха проходит через другой контур для удаления скопившейся воды и регенерации влагопоглотителя. Впускные и выпускные клапаны для каждого пневматического контура реагируют на управляющие электронные приборы для переключения воздушного потока между двумя контурами, так что один контур всегда сушит, а другой - регенерирует. Осушитель воздуха может содержать ступень предварительной фильтрации с водоотделителем и/или коагулятором, расположенным выше по потоку относительно контуров сушки. Ступень предварительной фильтрации удаляет жидкую фазу, а также аэрозольную воду и масло, которое может скапливаться в системе подачи воздуха в результате сжатия окружающего воздуха воздушными компрессорами локомотива. Ступень предварительной фильтрации содержит сливной клапан, который используется для периодического удаления любой скопившейся жидкости. Например, цикл срабатывания типичного сливного клапана для предварительной фильтрации может давать команду на удаление (открытие) в течение двух секунд каждые две минуты.
[0003] Осушитель воздуха для рельсового транспортного средства должен работать при отрицательных температурах от -40°C до 0°C. Кроме того, поток холодного воздуха через осушитель воздуха представляет существенную охлаждающую нагрузку на осушитель. Поскольку воздух, проходящий через впускные ступени осушителя воздуха, содержит влагу, управляющие клапаны в осушителе могут замерзнуть. Нагревательный элемент обеспечивает нагревание элементов клапана для сдерживания образования льда. Однако нагреватель с достаточной мощностью для предотвращения замерзания при -40°C наряду с высокой скоростью воздушного потока может давать слишком много тепла при более высоких температурах воздуха, например, при температуре около 0°C. В результате, нагревательный элемент может перегреться до того, как клапанный блок нагреется достаточно для того, чтобы быть обнаруженным контроллером температуры. Соответственно, в данной области техники существует потребность в системе управления нагревателем осушителя воздуха, которая может обеспечить достаточное количество тепла при чрезвычайно низких температурах без перегрева при более высоких температурах.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0004] Настоящее изобретение представляет собой систему и способ для модулирования мощности, подаваемой на нагреватель на железнодорожном осушителе воздуха, для обеспечения достаточного количества тепла для предотвращения замерзания при очень низких температурах и высокой скорости воздушного потока, не перегреваясь при температурах замерзания около 0°C. Осушитель воздуха, согласно изобретению, содержит впускное отверстие для приема подаваемого сжатого воздуха, пару впускных клапанов и соответствующую пару выпускных клапанов, расположенных в клапанном блоке для управления движением сжатого воздуха через соответствующую пару влагопоглощающих колонн, нагреватель, выполненный с возможностью нагревания клапанного блока, датчик температуры для выдачи сигнала, указывающего на температуру клапанного блока, и контроллер, который запрограммирован на определение того, находится ли температура клапанного блока ниже первого предварительно заданного порогового значения, и если это так, блокировку работы впускных клапанов и выпускных клапанов, пока температура клапанного блока не станет выше второго предварительно заданного порогового значения. Контроллер запрограммирован на управление нагревателем, когда температура клапанного блока ниже первого предварительно заданного порогового значения до тех пор, пока температура клапанного блока не станет выше второго предварительно заданного порогового значения, а также на управление впускными клапанами и выпускными клапанами только тогда, когда температура клапанного блока выше второго предварительно заданного порогового значения. Второй датчик температуры может быть присоединен к контроллеру и расположен во впускном отверстии для выдачи сигнала, указывающего на температуру сжатого воздуха во впускном отверстии. Таким образом, контроллер может быть запрограммирован на управление нагревателем, в соответствии с температурой сжатого воздуха во впускном отверстии. Например, контроллер может быть запрограммирован на управление нагревателем, в соответствии с полным рабочим циклом, когда температура сжатого воздуха во впускном отверстии находится в первом диапазоне, и в соответствии с сокращенным рабочим циклом, когда температура сжатого воздуха во впускном отверстии находится во втором диапазоне. Контроллер может быть дополнительно запрограммирован на управление нагревателем, в соответствии с нормализованным напряжением на входе. Контроллер также может быть запрограммирован на задержку открытия выпускного клапана, которое соответствует открытию впускного клапана при переключении движения сжатого воздуха между парой влагопоглощающих колонн, если температура сжатого воздуха во впускном отверстии ниже предварительно заданной.
[0005] Настоящее изобретение включает способ предотвращения замерзания клапанов осушителя воздуха путем использования осушителя воздуха, имеющего впускное отверстие для приема подаваемого сжатого воздуха, пару впускных клапанов и соответствующую пару выпускных клапанов, расположенных в клапанном блоке, нагреватель, выполненный с возможностью нагревания клапанного блока, и датчик температуры для выдачи сигнала, указывающего на температуру клапанного блока. Способ включает этап определения того, находится ли температура клапанного блока ниже первого предварительно заданного порогового значения, и, если это так, блокировки работы впускных клапанов и выпускных клапанов до тех пор, пока температура клапанного блока не станет выше второго предварительно заданного порогового значения. Способ может включать дополнительный этап управления нагревателем, когда температура клапанного блока ниже первого предварительно заданного порогового значения до тех пор, пока температура клапанного блока не станет выше второго предварительно заданного порогового значения. Если к контроллеру присоединен второй датчик температуры, способ может включать этап управления нагревателем, в соответствии с температурой сжатого воздуха во впускном отверстии. Например, этап управления нагревателем, в соответствии с температурой сжатого воздуха во впускном отверстии, может включать управление нагревателем с полным рабочим циклом, когда температура сжатого воздуха во впускном отверстии находится в первом диапазоне, и с сокращенным рабочим циклом, когда температура сжатого воздуха во впускном отверстии находится во втором диапазоне. Способ может дополнительно включать этап управления нагревателем, в соответствии с нормализованным напряжением на входе. В любом варианте осуществления способ может включать этап задержки открытия выпускного клапана, которое соответствует открытию впускного клапана, при переключении движения сжатого воздуха между парой влагопоглощающих колонн, если температура сжатого воздуха во впускном отверстии ниже предварительно заданной.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ НЕСКОЛЬКИХ ВИДОВ НА ЧЕРТЕЖЕ(АХ)
[0006] Настоящее изобретение станет более понятным и ясным после прочтения следующего подробного описания с прилагаемыми чертежами, на которых:
[0007] ФИГ. 1 представляет собой схему системы подачи воздуха локомотива, имеющей осушитель воздуха, который имеет нагреваемый клапанный блок, в соответствии с настоящим изобретением;
[0008] ФИГ. 2 представляет собой схему осушителя воздуха со встроенной ступенью предварительной фильтрации и нагреваемым клапанным блоком, в соответствии с настоящим изобретением;
[0009] ФИГ. 3 представляет собой схему нагреваемого клапанного блока осушителя воздуха со ступенью предварительной фильтрации, в соответствии с настоящим изобретением; и
[0010] ФИГ. 4 представляет собой блок-схему способа управления нагревателем для осушителя воздуха, имеющего нагреваемый клапанный блок.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0011] Далее ссылаясь на чертежи, на которых подобные ссылочные обозначения везде относятся к подобным частям, на ФИГ. 1 показана воздушная система 10 локомотива, имеющая воздушный компрессор 12, последующий охладитель 14, первый и второй основные резервуары MR1 и MR2, и двухколонный влагопоглощающий осушитель 16 воздуха, имеющий средство управления нагревателем, в соответствии с настоящим изобретением, как более подробно описано ниже. Второй основной резервуар MR2 соединен с тормозной системой 18, а возвратный клапан 20 расположен между первым и вторым основными резервуарами MR1 и MR2. Ступень 22 предварительной фильтрации связана с осушителем 16 воздуха и содержит сливной клапан 24, который работает, в соответствии с временем цикла продувки сливного клапана.
[0012] Ссылаясь на ФИГ. 2, двухколонный влагопоглощающий осушитель 16 воздуха содержит впускное отверстие 28 для приема воздуха из первого основного резервуара MR1. Впускное отверстие 28 находится в сообщении со ступенью 30 предварительной фильтрации, которая показана как содержащая водоотделитель 32, коагулятор 34 крупного размера и коагулятор 36 малого размера. Все скопившиеся жидкости в водоотделителе 32, коагуляторе 34 крупного размера и коагуляторе 36 малого размера удаляются через сливной клапан 24. Пара впускных клапанов 42 и 44 расположена ниже по потоку относительно ступени 30 предварительной фильтрации для отклонения воздуха, входящего между одним из двух каналов, каждый из которых связан с одной из двух влагопоглощающих колонн 46 и 48. Датчик 50 температуры расположен выше по потоку относительно впускных клапанов 42 и 44 и ниже по потоку относительно ступени 30 предварительной фильтрации. Необязательно, датчик температуры 50 или второй датчик 76 температуры могут быть расположены в клапанном блоке, в котором размещается ряд клапанов. Первый канал ниже по потоку относительно первого впускного клапана 42 ведет к выпускному клапану 52 и первой влагопоглощающей колонне 46. Второй канал ниже по потоку относительно второго впускного клапана 44 ведет ко второму выпускному клапану 54 и второй влагопоглощающей колонне 48. Первый канал дополнительно содержит первый обратный клапан 58 и первое перепускное отверстие 62 ниже по потоку относительно первой влагопоглощающей колонны 46, а второй канал дополнительно содержит второй обратный клапан 60 и перепускное отверстие 64 ниже по потоку относительно второй влагопоглощающей колонны 48. Одно выпускное отверстие 66 соединено с концом первого и второго каналов, а датчик 68 влажности расположен выше по потоку относительно выпускного отверстия 66. Впускные клапаны 42 и 44, а также выпускные клапаны 52 и 54, управляются контроллером 40. Контроллер 40 управляет впускными клапанами 42 и 44, а также выпускными клапанами 52 и 54 таким образом, что сжатый воздух, подаваемый во впускное отверстие 28, направляется через одну из влагопоглощающих колонн 46 или 48 для сушки. Другая из влагопоглощающих колонн 46 или 28 может быть регенерирована путем обеспечения высушенному воздуху возможности прохождения в обратном направлении через перепускное отверстие 62 или 64 и, по мере необходимости, из выпускного клапана 52 или 54. Контроллер 40 также находится в соединении с датчиком 50 температуры, датчиком 76 температуры и датчиком 68 влажности.
[0013] К контроллеру 40 также может быть присоединен нагревательный элемент 70 посредством полевых транзисторов (FET), твердотельных реле или электромеханических реле, и размещен в осушителе 16 воздуха для нагревания сливного клапана 24, впускных клапанов 42 и 44, а также выпускных клапанов 52 и 54, если температура находится ниже нуля. Нагревательный элемент 70 должен иметь достаточную мощность для предотвращения замерзания при минимальной заданной рабочей температуре осушителя 16 воздуха, которая обычно составляет -40°C, тогда как температура протекающего воздуха окружающей среды составляет по меньшей мере от 60 до 100+ SCFM. Поток холодного воздуха через осушитель 16 представляет собой очень существенную охлаждающую нагрузку. Испытания показали, что при -40°C и номинальном воздушном потоке для предотвращения температур замерзания в клапанном блоке 72 и замерзания сливного клапана 24, впускных клапанов 42 и 44, а также выпускных клапанов 52 и 54, необходимо по меньшей мере 525 Вт мощности нагревателя. Как видно на ФИГ. 3, каналы осушителя воздуха, показанные на ФИГ. 1, размещены так, что сливной клапан 24, впускные клапаны 42 и 44, а также выпускные клапаны 52 и 54, как правило, расположены вместе с нагревательным элементом 70 в клапанном блоке 72. Как объяснено выше, осушитель 16 воздуха содержит датчик 76 температуры для определения приблизительной температуры клапанного блока 72 и, таким образом, сливного клапана 24, впускных клапанов 42 и 44, а также выпускных клапанов 52 и 54. Датчик 50 температуры показан расположенным для определения температуры воздуха, проходящего через осушитель 16 воздуха, но может быть расположен для определения температуры клапанного блока 72 (показан как датчик 76 температуры), температуры воздуха на входе, температуры окружающего воздуха или некоторой комбинации вышеперечисленного.
[0014] В случае отрицательных температур окружающей среды существует риск замерзания различных электромагнитных клапанов в положениях, которые могут серьезно повлиять на воздушную систему 10 локомотива. Например, если оба или один впускной клапан 42 или 44 и выпускной клапан 52 и 54 замерзают в открытом положении, один из контуров может остаться открытым. В этом положении осушитель 16 воздуха будет вентилировать систему основного резервуара (MR1 и MR2) со скоростью, большей, чем воздушный компрессор 12 может перезарядиться, тем самым приводя к нежелательной остановке поезда (тормозная система локомотива должна выполнить обязательное принудительное торможение при низком давлении основного резервуара). Соответственно, ссылаясь на ФИГ. 4, контроллер 40 осушителя воздуха запрограммирован на реализацию процесса 80 управления мощностью нагревателя в зависимости от температуры для обеспечения того, чтобы клапанный блок 72 достаточно нагрелся до температуры, которая предотвращает вероятность замерзания любого из клапанов без риска перегрева нагревательного элемента 70. При первоначальном запуске все клапаны остаются отключенными, а контроллер 40 считывает температуру 82 клапанного блока 72, например, используя датчик 76 температуры, расположенный в клапанном блоке 72. Затем выполняется проверка 84 для определения того, находится ли температура ниже порогового значения, представляющего риск замерзания (любой предварительно заданной температуры, выбранной для того чтобы указывать на риск того, что сливной клапан 24, впускные клапаны 42 и 44, или выпускные клапаны 52 и 54 замерзнут, например, 3°C). Если температура выше порогового значения, осушитель 16 воздуха может включиться и продолжить нормальные операции 86, т.е. реализуется «нормальный режим». Если при проверке 84 температура находится ниже порогового значения, контроллер 40 вводит безопасный режим 88, в котором работа клапана блокируется и на нагревательный элемент 70 подается питание. Нагревание продолжается за счет подачи питания на нагревательный элемент 70 до тех пор, пока температура клапанного блока 72 не поднимется выше второго порогового значения при проверке 90, которая может быть такой же, как и температура при проверке 84, или немного выше, такой как 12°C. Если это так, нагревательный элемент 70 обесточивается 92, и управление возвращается к проверке 84, так что на нагревательный элемент 70 может повторно подаваться питание каждый раз, когда температура падает ниже порогового значения, установленного проверкой 84, указывая на риск замерзания клапанов. Как объяснено выше, при определенных обстоятельствах возможно, что нагревательный элемент 70 может перегреться, прежде чем датчик 76 температуры, расположенный в клапанном блоке 72, обнаружит, что клапанный блок 72 достаточно нагрелся, чтобы обеспечить возможность обесточивания нагревательного элемента 70 (например, температура нагревательного элемента 70 от 180 до 200°C может повредить нагревательный элемент 70). Соответственно, контроллер 40 может быть выполнен с возможностью считывания температуры 94 воздуха на входе при выполнении этапа 88 и с возможностью управления нагревательным элементом 70 путем управления подачей мощности пропорционально температуре воздуха на входе, например, используя управление широтно-импульсной модуляции (ШИМ) нагревательного элемента 70. При очень низких температурах, например, от -40°C до 0°C, рабочий цикл ШИМ, обеспечиваемый контроллером 40, может быть одним (1) таким образом, чтобы нагревательный элемент 70 был постоянно включенным для обеспечения полной мощности нагревания в ваттах. Однако при более высоких температурах, таких как 0°C, рабочий цикл ШИМ может быть сокращен для выдачи достаточного количества тепла на клапанный блок 72 для предотвращения замерзания без риска перегревания. Например, в системе, имеющей 525 Вт тепловой мощности, которая в противном случае необходима для температур ниже -30°C, только 200 Вт мощности может потребоваться для температур, близких к 0°C. Уровень мощности, необходимый для предотвращения замерзания, но пока не превышающий (например, температуры нагревательного элемента 70 от 180 до 200°C может повредить нагревательный элемент 70) рабочую температуру, может быть определен экспериментальным путем для различных точек в пределах температурного диапазона от -40°C до 3°C, и затем использован для корректирования рабочего цикла ШИМ в алгоритме управления нагревателем температуры воздуха на входе.
[0015] Процесс 80 управления мощностью нагревателя в зависимости от температуры может быть незамкнутным, предполагая номинальную мощность 72 В на входе (типичные эксплуатационные характеристики осушителя воздуха требуют работы при постоянном токе от 50 В до 93 В (72 В+/- 30%). При высоких напряжениях тока нагревательный элемент 70 может по-прежнему перегреваться и превышать целевую рабочую температуру, но предполагается, что работа при перенапряжении является редким случаем, особенно при условии одновременного электрического перенапряжения и температур окружающей среды вблизи точки замерзания. Однако для снижения этого риска, нагревательный элемент 70 может содержать термостат перегрева для размыкания нагревателя в любом случае, когда температура нагревательного элемента 70 превышает предварительно заданное максимальное значение. В качестве альтернативы, функция термостата может выполняться контроллером 40 с добавлением запасного терморезистора, встроенного в нагревательный элемент 70, соединенного с контроллером 40. В этом варианте контроллер 40 может дополнительно модулировать рабочий цикл ШИМ в ответ на температуру нагревательного элемента 70, приближающуюся к максимально допустимой рабочей температуре, для обеспечения нагревательному элементу 70 возможности работать при максимальной рабочей температуре или ниже ее, но не выше.
2
[0016] В другом варианте осуществления контроллер 22 может считывать напряжение на входе и посредством ШИМ модулировать мощность для нагревательного элемента 70, исходя из температуры воздуха и напряжения на входе. Как описано выше, мощность для нагревательного элемента 70 может быть пропорциональна температуре окружающей среды, обеспечивая максимальную мощность нагревателя при очень низких температурах и более низкую мощность при более высоких температурах. Дополнительно, контроллер 22 может считывать напряжение на входе и регулировать мощность для нагревательного элемента 70, чтобы обеспечивать мощность, эквивалентную номинальному напряжению 72 В на входе. Для резистивной нагрузки, мощность = V/R. Таким образом, нагреватель, который рассеивает 300 Вт при 72 В постоянного тока, будет рассеивать 500 Вт при 93 В постоянного тока. В этом случае, контроллер 22 может уменьшить рабочий цикл ШИМ до 300/500=0,6. Например, если температура окружающей среды составляет -1°C, то рабочий цикл ШИМ может быть дополнительно сокращен, чтобы быть пропорциональным этой температуре. Если рабочий цикл ШИМ, зависящий от температуры, составлял 0,5 при -1°C, то контроллер 22 предоставил бы рабочий цикл ШИМ 0,6*0,5=0,3. Подобным образом, если напряжение постоянного тока на входе составляло 50 В, то коэффициент ШИМ, зависящий от напряжения, был бы 300/145=2,0. Если коэффициент температуры окружающей среды составляет 0,5, согласно вышеприведенному примеру, то окончательный рабочий цикл ШИМ будет 2,0*0,5=1,0. Таким образом, контроллер 22 может предоставить мощность на выходе для нагревательного элемента 70, которая нормализована как для напряжения на входе, так и для температуры окружающей среды.
[0017] Для дополнительного предотвращения замерзания клапанов, нормальный режим осушителя 16 воздуха может быть изменен. Поскольку впускные клапаны 42 и 44 пропускают больше воздуха за большую продолжительность, чем выпускные клапаны 52 и 54, впускные клапаны 42 и 44 имеют гораздо более высокую вероятность замерзания в открытом положении. Например, впускные клапаны 42 и 44 расходуют до 150 SCFM на протяжении полного цикла сушки, в то время как выпускные клапаны 52 и 54 имеют 110-секундный цикл, который является высокопроизводительным в течение первых нескольких секунд, пока камера осушителя продувается, с последующим продувочным потоком 18 SCFM для уравновешивания 110-секундного цикла. Более того, при низких температурах удлинение цикла может привести к потоку воздуха через впускные клапаны 42 и 44 в общей сложности в течение 30 минут. Ввиду этого отличия, контроллер 22 может быть выполнен таким образом, чтобы нормальный режим включал задержку по времени между закрытием впускного клапана 42 или 44 и открытием соответствующего выпускного клапана 52 или 54, когда температура воздуха на входе находится ниже предварительно заданной температуры, отражающей риск замерзания, например, 0°C. При обычной работе только один впускной клапан 42 или 44 открыт в данный момент времени и, следовательно, полный впускной поток направляется через этот клапан. Как следствие, при низких температурах открытый впускной клапан 42 или 44 претерпевает очень сильное охлаждение от воздушного потока, что может вызвать замерзание. При низких температурах контроллер 22 может подать команду на переключение от осушительного контура А на контур В путем закрытия впускного клапана 42, связанного с контуром А, открытия впускного клапана 42, связанного с контуром В, ожидания в течение предварительно заданного времени, такого как 1 минута, и затем открытия выпускного клапана 52, связанного с контуром А, для его обычного цикла. Задержка может обеспечить время для медленного впускного клапана, чтобы нагреться и полностью закрыться, а если он стал замершим в открытом положении, то путем открытия обоих впускных клапанов одновременно (А заморожен в открытом положении, на В дана команда для открытия), затем в результате каждый клапан будет претерпевать только половину впускного потока, уменьшая влияние потока, зависящее от охлаждения, на оба клапана и улучшая возможность оттаивания замерзшего впускного клапана контура А перед открытием выпускного клапана, связанного с контуром А.
[0018] Как описано выше, настоящее изобретение может представлять собой систему, способ и/или компьютерную программу, связанную с ним, и описано в данном документе со ссылкой на блок-схемы и блок-диаграммы способов и систем. Блок-схема и блок-диаграммы иллюстрируют архитектуру, функционал и работу возможных реализаций систем, способов и компьютерных программ, согласно настоящему изобретению. Следует понимать, что каждый блок в блок-схемах и блок-диаграммах может быть реализован с помощью машиночитаемых программных инструкций в программном обеспечении, встроенном программном обеспечении или аналоговых или цифровых схемах специального назначения. Эти машиночитаемые программные инструкции могут быть реализованы на процессоре компьютера общего назначения, компьютера специального назначения или другого программируемого устройства для обработки данных для создания машины, которая реализует часть или любые из блоков в блок-схемах и блок-диаграммах. Каждый блок в блок-схеме или блок-диаграммах может представлять собой модуль, сегмент или фрагмент инструкций, который включает в себя одну или более исполняемых инструкций для реализации указанных логических функций. Следует также отметить, что каждый блок в блок-диаграммах и на иллюстрациях блок-схемы, или комбинации блоков в блок-диаграммах и блок-схемах, может быть реализован с помощью специализированных аппаратных систем, которые используют указанные функции или действия, или реализуют комбинации специализированных устройств и компьютерных инструкций.