СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО УРОВНЯ КОНТУРНОЙ ТЕПЛОВОЙ ТРУБЫ
METHOD OF TEMPERATURE ADJUSTMENT OF CIRCUIT HEATING PIPE

Изобретение относится к области теплотехники, в частности, к контурным тепловым трубам (КТТ), и может быть использовано для термостабилизации различных теплонагруженных объектов.
Известен способ регулирования термического сопротивления тепловой трубы (п. РФ №2 015 483, МПК F28D 15/02, опубл. 1994 г.), в котором осуществляют регулируемое тепловое воздействие на теплоноситель. Тепловое воздействие осуществляют путем нагрева теплоносителя в жидкостном канале до температуры, не превышающей температуру фазового перехода при охлаждении испарителя или конденсатора и охлаждают до температуры не ниже температуры кристаллизации при нагреве испарителя или конденсатора, причем величину теплового воздействия выбирают в соответствии с определенной формулой.
Данный способ позволяет эффективно регулировать термическое сопротивление контурных тепловых труб путем воздействия на теплоноситель в транспортном жидкостном канале.
Однако данный способ регулирования имеет ряд недостатков, а именно вероятность возникновения паровых пробок в жидкостном канале вследствие нагрева теплоносителя. К тому же, в связи со значительной инерционностью тепловой трубы, данный способ пригоден лишь в случае стационарной тепловой нагрузки в заранее известных условиях, поскольку при расчете величины теплового воздействия учитываются только физические свойства теплоносителя, но не учитываются динамические свойства всего устройства.
Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения, выбранным в качестве прототипа, является способ регулирования температурного уровня контурной тепловой трубы путем автоматически регулируемого теплового воздействия на теплоноситель в компенсационной полости, мощность которого выбирают по формуле (п. РФ №2 062 970, МПК F28D 15/06, опубл. 1996 г.). Тепловое воздействие осуществляют путем нагрева теплоносителя в компенсационной полости до температуры, не превышающей температуру фазового перехода при кипении, или охлаждения до температуры не ниже температуры кристаллизации по температуре пара в паропроводе или стенке испарителя.
Данный способ позволяет стабилизировать температуру пара во всем диапазоне тепловых нагрузок на контурную тепловую трубу, при которых регулирующее воздействие положительно.
В данном решении применен способ изменения теплового сопротивления контурной тепловой трубы тепловым воздействием на компенсационную полость. Однако, в связи со значительной инерционностью тепловой трубы, данный способ пригоден лишь в случае стационарной тепловой нагрузки в заранее известных условиях, поскольку при расчете величины теплового воздействия учитываются только физические свойства теплоносителя, но не учитываются динамические свойства всего устройства.
Задача, на решение которой направлено изобретение, - обеспечение термостабилизации контурной тепловой трубы в широком диапазоне тепловой нагрузки и температуры стока тепла.
Технический результат, получаемый при использовании предлагаемого технического решения - возможность автоматического управления термическим сопротивлением контурной тепловой трубы.
Указанный технический результат достигается тем, что в способе регулирования температурного уровня контурной тепловой трубы путем автоматически регулируемого теплового воздействия на теплоноситель в компенсационной полости, мощность которого выбирают по формуле, особенность заключается в том, что регулируемое тепловое воздействие происходит по температуре седла испарителя, а мощность регулируемого теплового воздействия выбирают в соответствии с формулой:
, где
О - выходной сигнал,
е - величина ошибки (разность между заданной и измеренной температурой седла испарителя),
n
e - значение ошибки в текущий момент (разность между заданной температурой и текущей температурой термостабилизируемого объекта),
n-1
e - значение ошибки на предыдущем шаге,
Δt - шаг времени между измерениями,
- сумма всех предыдущих значений ошибки,
G - общий коэффициент усиления,
D - коэффициент усиления дифференциальной части,
I - коэффициент усиления интегральной части.
Как известно, при работе (при управлении) КТТ существует проблема обеспечения термостабилизации, связанная с существенным изменением передаточных свойств контурной тепловой трубы при изменении тепловой нагрузки, температуры стока тепла и пространственной ориентации.
В теории автоматического управления (ТАУ) существует пропорционально-интегрально-дифференциальный алгоритм (ПИД-алгоритм), который используется для инерционных объектов с постоянными свойствами, а влияние других условий учитывается введением дополнительных поправок. КТТ обладает большой инерционностью реакции на управляющее воздействие, однако не обладает постоянными свойствами. Резкие изменения тепловой нагрузки, пространственной ориентации КТТ, температуры стока тепла приводят к существенному изменению чувствительности КТТ на управляющее воздействие. Обычно в технике для учета таких воздействий применяют дополнительные датчики, что значительно усложняет устройство и сам алгоритм управления.
Авторы для решения этой проблемы предлагают применить ПИД-алгоритм управления с модифицированными коэффициентами с вычислением управляющего воздействия только по температуре седла испарителя.
Для выяснения применимости пропорционально-интегрально-дифференциального алгоритма управления непосредственно к КТТ был проведен анализ амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик разомкнутого контура управления контурной тепловой трубы и пропорционально-интегрально-дифференциального закона регулирования, а также проведены экспериментальные работы. В ходе экспериментов и проведенного анализа передаточных свойств авторами впервые была доказана применимость данного алгоритма для управления мощностью запирающего нагревателя контурной тепловой трубы, что ранее не было известно.
Реализация способа, при котором регулируемое тепловое воздействие вычисляется по температуре седла испарителя, при этом мощность регулируемого теплового воздействия выбирают в соответствии с приведенной выше формулой, приводит к достижению возможности автоматического управления термическим сопротивлением контурной тепловой трубы, используя для этого измерение всего одного параметра - температуры седла испарителя, что в свою очередь позволяет решить задачу обеспечения термостабилизации КТТ в широком диапазоне тепловой нагрузки и температуры стока тепла, а также при изменении пространственной ориентации КТТ.
При проведении анализа уровня техники, включающего поиск по патентным и научно-техническим источникам информации, и выявлении источников, содержащих сведения об аналогах заявленного изобретения, не обнаружено аналогов, характеризующихся признаками, тождественными всем существенным признакам данного изобретения. Определение из перечня выявленных аналогов прототипа как наиболее близкого по совокупности существенных признаков аналога, позволило выявить совокупность существенных отличительных признаков от прототипа, изложенных в формуле изобретения.
Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию «новизна».
Для проверки соответствия заявленного изобретения условию «изобретательский уровень» заявитель провел дополнительный поиск известных решений, чтобы выявить признаки, совпадающие с отличительными от прототипа признаками заявленного устройства. В результате поиска не выявлены технические решения с этими признаками. На этом основании можно сделать выводы о соответствии заявляемого изобретения условию «изобретательский уровень».
На чертеже изображено устройство для реализации заявленного способа.
Устройство, реализующее заявляемый способ, состоит из контурной тепловой трубы и блока управления 1. Тепловая труба содержит испаритель 2 с седлом 3, на которое установлен патронный нагреватель 4, компенсационную полость 5 с нагревателем 6, конденсатор 7, паропровод 8, конденсатопровод 9. Конденсатор 7 установлен на устройство охлаждения (не показано). Седло 3 испарителя 2 снабжено датчиком температуры 10. Нагреватель 6 предназначен для управления режимом термостабилизации, патронный нагреватель 4 - для подогрева термостабилизируемого объекта.
Способ осуществляют следующим образом. На седло 3 испарителя 2 устанавливается термостабилизируемый объект (не показан). При подаче электропитания на патронный нагреватель 4 (или же за счет тепловыделения в объекте термостабилизации) происходит приложение тепловой нагрузки на седло 3 испарителя 2 и запуск контурной тепловой трубы. Нагреватель 6 компенсационной полости 5 при этом выключен, блок управления 1 находится в пассивном режиме, контролируя температуру посредством датчика 10. Давление пара теплоносителя в испарителе 2 начинает расти, пар поступает в паропровод 8, вытесняя оттуда жидкий теплоноситель в конденсатопровод 9 и компенсационную полость 5. Блок управления 1 выжидает время, необходимое для выхода контурной тепловой трубы на устойчивый режим работы. Необходимое время ожидания может быть измерено заранее. Также, при условии стабильности внешних условий работы, момент выхода на устойчивый режим работы может быть определен по выходу температуры седла 3 на стабильный уровень. После выхода на устойчивую работу блок управления 1 переходит в активный режим и подает требуемую электрическую мощность на нагреватель 6 компенсационной полости 5.
При этом требуемая величина мощности рассчитывается на основании данных измерений температуры седла 3 испарителя 2 по формуле:
,
где О - выходной сигнал,
е - величина ошибки (разность между заданной и измеренной температурой седла испарителя),
n
e - значение ошибки в текущий момент (разность между заданной (требуемой) температурой и текущей температурой термостабилизируемого объекта),
n-1
e - значение ошибки на предыдущем шаге,
Δt - шаг времени между измерениями,
- сумма всех предыдущих значений ошибки,
G - общий коэффициент усиления,
D - коэффициент усиления дифференциальной части,
I - коэффициент усиления интегральной части.
i
i-1
В случае когда температура седла испарителя ниже заданной температуры, ошибка е в формуле положительна и увеличивает мощность нагревателя компенсационной полости, если же температура седла испарителя выше заданной температуры, ошибка е отрицательна и уменьшает мощность нагревателя компенсационной полости вплоть до полного отключения, увеличивая транспорт тепла от седла 3 испарителя 2. Для компенсации резких изменений температуры седла испарителя рассчитывается скорость изменения ошибки (e-e)/Δt. Скорость изменения ошибки, умноженная на коэффициент усиления D, добавляется (с учетом знака) к величине управляющей мощности. Это позволяет заблаговременно уменьшать мощность нагревателя компенсационной мощности при резком росте температуры седла испарителя и соответственно увеличивать мощность при резком уменьшении температуры, не дожидаясь, когда температура седла испарителя существенно изменится. Такая превентивная коррекция (в ТАУ называется звеном предсказания) позволяет уменьшить влияние резкого изменения условий работы и стабилизировать работу КТТ. Для компенсации остаточной ошибки установки температуры служит интегральная часть. Для ее расчета на каждом шаге измерения температуры величина ошибки добавляется к сумме S. Величина интегральной поправки ISΔt добавляется (с учетом знака) к величине мощности. Эта поправка позволяет обеспечить высокую точность установки температуры при работе в условиях стационарных внешних условий либо при их медленном изменении.
Тепловыделение в нагревателе 6 компенсационной полости 5 приводит к частичному запиранию контурной тепловой трубы за счет нагрева и частичного испарения теплоносителя, находящегося в компенсационной полости 5. Это вызывает повышение давления в компенсационной полости. Для его компенсации требуемое давление в испарителе 2 также должно быть выше. Соответственно, точка равновесия между отводимой мощностью и температурой смещается, вызывая переход работы тепловой трубы на новую точку динамического равновесия.
При вычислении следующего управляющего воздействия учитывается изменение температуры седла испарителя и происходит корректировка величины подводимой мощности к нагревателю 6 компенсационной полости 5 таким образом, чтобы температура седла 3 испарителя была равна заданной температуре. В случае резкого изменения температуры седла испарителя (например, резкое изменение теплового потока на седло испарителя либо температуры стока тепла) алгоритм управления обеспечивает изменение мощности нагревателя компенсационной полости для компенсации воздействия.
На предприятии были проведены эксперименты. В проведенных экспериментах точность поддержания температуры конденсатора составила ±0.5°C. Мощность нагревателей задавалась методом широтно-импульсной модуляции (ШИМ). Период ШИМ для питания нагревателя седла испарителя ≈1 с, для питания нагревателя компенсационной полости ≈8 мс. Коэффициент заполнения импульсов питающего напряжения для нагревателя седла испарителя составлял от 0 до 1 с шагом 0.1 для измерений во всем диапазоне нагрузок. Коэффициент заполнения импульсов питающего напряжения для нагревателя компенсационной полости устанавливается блоком управления в диапазоне от 0 до 1, с шагом 1/256 в соответствии с описанным законом управления.
Параметры ПИД, при которых проводились эксперименты: Период считывания показаний датчика и изменения управляющего сигнала - 0.4 с.
ref
det
Ошибка управления - разность между установленной температурой T и реальной T (в градусах),
G=1/32,
D=20,
I=1/256,
Накопление интегральной части производится только для ошибки, абсолютное значение которой меньшей порога 20°C, для ошибки, абсолютное значение которой меньше 5°C значение накапливаемой ошибки удваивается.
Выходной сигнал представляет собой коэффициент заполнения с интервалом от 0 до 1. Для вычисленных значений меньше нуля управляющий сигнал устанавливается равным 0, для значений больше 1 управляющий сигнал устанавливается равным 1.
Результаты экспериментов:
- точность поддержания температуры седла испарителя на небольшом уровне подводимой мощности (8 Вт и 16 Вт) составила ±2°C, при подводимой мощности 24 и 32 Вт точность поддержания температуры седла испарителя составила ±0.2°C;
- при изменении температуры стока тепла на 10°C температура седла испарителя изменяется не более чем на 1,5°C, после чего в течение 100 с возвращается к установленному значению.
Преимущество заявляемого изобретения состоит в том, что применение принципа управления КТТ, основанного на вычислении управляющего теплового воздействия на компенсационную полость, исходя только из данных измерения температуры седла испарителя, позволило разработать замкнутый алгоритм управления КТТ и
- обеспечить высокую точность поддержания температуры термостабилизируемого объекта (не хуже 0,5°C для исследованного образца малогабаритной контурной тепловой трубы) при изменении в широком диапазоне тепловой нагрузки и температуры стока тепла;
- адаптивно изменять воздействие в случае изменения условий работы (тепловой нагрузки, температуры стока тепла и т.д.), опираясь на скорость изменения и величину температуры объекта термостабилизации, а также учитывая историю изменения температуры.
Таким образом, представленные данные свидетельствуют о возможности выполнения при использовании способа по заявляемому изобретению следующей совокупности:
- процесс, воплощающий заявленный способ при его осуществлении, предназначен для использования в электронной, машиностроительной, автомобильной, аэрокосмической и приборостроительной промышленности для объектов, требующих высокой точности термостабилизации;
- для заявляемого способа в том виде, в котором он охарактеризован в формуле изобретения, подтверждена возможность его осуществления.
Следовательно, заявляемый способ соответствует условию «промышленная применимость».