УСТРОЙСТВО ДЛЯ ТОЧНОГО РЕГУЛИРОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ В ПОДОГРЕВАТЕЛЯХ ТЕХНИЧЕСКИХ ГАЗОВ

Устройство относится к области криогенной техники и предназначено для регулирования температуры в подогревателях технических газов перед их закачиванием в баллоны.
Наиболее близким аналогом (прототипом) является подогреватель технических газов, использующий релейный закон регулирования мощности нагревателей, размещенных в сосуде с теплоносителем, через который по змеевику проходит подогреваемый газ (подогреватель FS-MS-S производства компании APT, Чехия http://www.apt.cz/procesni-technologie/fs-filling-station).
Недостатком данного устройства является то, что регулирование температуры в подогревателе осуществляется по релейному закону (все нагреватели включены или выключены) и не учитывается температура газа, что приводит к существенному (в 2 и более раз) ее изменению в процессе заполнения баллонов, что приводит к нарушению рецептуры газовых смесей и перерасходу закачиваемого в баллоны газа. На фиг. 2 показан график изменения температуры подогреваемого газа (синяя кривая), наглядно иллюстрирующий низкое качество регулирования температуры при релейном законе, с использованием в качестве сигнала обратной связи температуры теплоносителя.
Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, состоит в обеспечении требуемого по технологии непрерывного поддержания температуры газа в течение всего процесса закачки его в баллоны.
Поставленная задача решается тем, что в известном устройстве, содержащем бак с теплоносителем и электрическими нагревателями, регулятор мощности, осуществляющий релейный закон регулирования и датчик температуры теплоносителя, релейный регулятор и датчик температуры теплоносителя выводятся из системы регулирования температуры (мощности нагревателей) и переносятся в систему защиты (ограничения температуры теплоносителя), а взамен них устанавливается блок регулирования мощности нагревателей, позволяющий регулировать мощность непрерывно, по закону ПИД-регулирования, и датчик температуры подогреваемого газа на выходе из подогревателя.
Устройство поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана функциональная схема устройства.
Для непрерывного поддержания требуемой температуры закачиваемого газа в устройстве используются регулятор напряжения 13, задатчик температуры 14, регулирующее устройство 15 и датчик температуры 12. Первый вход регулирующего устройства 15 соединен с выходом задатчика температуры 14, второй вход устройства 13 соединен с выходом датчика температуры подогреваемого газа 12, а выходом - с управляющим входом регулятора напряжения 13, подключенного силовым входом к источнику питания 16 (фиг. 1).
Устройство работает следующим образом. Поступающий в подогреватель газ проходит по змеевику в баке с теплоносителем, и за счет теплопередачи его температура увеличивается до требуемой величины. Регулирование температуры теплоносителя осуществляется непрерывно по ПИД закону на основе сигнала обратной связи по температуре газа на выходе из подогревателя. До начала процесса наполнения баллонов температура теплоносителя поддерживается на уровне требуемой температуры газа (+30 … +50°С в зависимости от технологических требований). В начале процесса заполнения баллонов холодный газ попадает в змеевик и, взаимодействуя с теплоносителем, приобретает нужную температуру. Температура теплоносителя падает, что компенсируется увеличением мощности, подаваемой на нагреватели. Если требуемая температура газа на выходе из подогревателя не обеспечивается в течение установленного времени, устройство выдает сигнал на временное прекращение процесса закачки газа.
з
з
Поддержание требуемой температуры газа обеспечивается с помощью системы автоматического регулирования температуры, включающей в себя регулятор напряжения 13, регулирующее устройство 15, задатчик температуры 14 и датчик температуры 12. Регулятор напряжения 13 подключен силовым входом к источнику питания 16 (питающей сети переменного тока), а управляющим входом - к выходу регулирующего устройства 15. Регулирующее устройство 15 сравнивает сигнал Θ, поступающий от задатчика температуры 14, с сигналом Θ обратной связи, поступающим от датчика температуры газа 12, расположенного в трубе, на выходе из подогревателя. На выходе регулирующего устройства 15 вырабатывается сигнал, пропорциональный разности температур ΔΘ=Θ-Θ, который обеспечивает непрерывное регулирование мощности, поступающей в нагревательный элемент 11. Следовательно, изменение температуры Θ газа будет непрерывно приводить к изменению мощности, поступающей в нагревательный элемент и, следовательно, будет приводить к восстановлению заданного температурного режима.
з
Регулятор напряжения 13 выполняется на тиристорах и выпускается серийно. Регулирующее устройство 15 - серийно выпускаемый программируемый терморегулятор, в котором оператором задается на дисплее требуемая температура Θ. В качестве датчика температуры 12 используется стандартная термопара, например хромель-копелевая. Таким образом, реализация устройства не вызывает трудностей и выполняется на серийных покупных элементах. На фиг. 3 показаны графики изменения температуры подогреваемого газа с использованием описываемого выше устройства. Зеленая - температура подогреваемого газа, красная - температура теплоносителя, синяя - температура окружающего воздуха. Графики наглядно иллюстрируют высокое качество поддержания температуры газа в процессе заправки баллонов.