RU2588585C1

RU2588585C1 - Device for adaptive heating of cryogenic device

Info

Publication number: RU2588585C1
Application number: RU2015120236/07A
Authority: RU
Inventors: Ольга Владимировна Фалина; Елена Яковлевна Рубцова; Михаил Викторович Рубцов; Виталий Борисович Заикин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Криотерм" (ООО "Криотерм")
Priority date: 2015-05-28
Filing date: 2015-05-28
Publication date: 2016-07-10

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: device for adaptive heating of cryogenic device, for example, a control valve, comprising located near heated vehicle electric heater 1, connected to output of voltage controller 2 connected by input to output control device 3, first input of which is connected to output of temperature setter 6 of heated apparatus via summing element 4, and second input is connected to output of temperature sensor 5 of heated device. Ambient temperature sensor 7 is connected to input of functional unit 8, output of which is connected to second subtracting input of summing element 4 connected by first summing input to output of ambient temperature setter 6.

EFFECT: invention enables to maintain required temperature for reliable operation of cryogenic device during ambient temperature and humidity changes in a wide range.

3 cl, 1 dwg

Description

Устройство относится к области криогенной техники и предназначено для обогрева регулирующих аппаратов, используемых в криогенных технологиях.The device relates to the field of cryogenic technology and is intended for heating control devices used in cryogenic technologies.

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).An analogue of the proposed device is a device for pumping liquefied gas, in particular a control valve, comprising a hollow body fixed in a cryogenic tank housing, inside of which a rod movable along the body is located, connected at one end to the output of the rod displacement actuator, and the other to a valve disc that changes the passage section of the pipeline through which liquefied gas flows (Belyakov V.P. Cryogenic equipment and technology, Moscow: Energoatomizdat, 1982, p. 52-54).

Недостатком данного устройства является то, что при изменении температуры и влажности окружающей среды элементы регулирующего аппарата, находящиеся снаружи криогенной емкости, обледеневают. При низких температурах и повышенной влажности воздуха лед образуется не только на наружных 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.The disadvantage of this device is that when the temperature and humidity of the environment change, the elements of the regulatory apparatus located outside the cryogenic tank are icy. At low temperatures and high humidity, ice is formed not only on the outer surfaces of the apparatus, but also in the supports along which the moving elements of the apparatus move. This causes jamming of the movable elements of the device and may lead to a loss of its operability, up to failure. This disadvantage is especially pronounced after prolonged operation of the cryogenic installation.

Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, состоит в обеспечении желаемого распределения температур элементов аппарата по всей его длине, при котором исключается образование наледи и заклинивание подвижных соединений.The technical problem solved by the proposed device is to provide the desired temperature distribution of the elements of the apparatus along its entire length, which eliminates the formation of ice and jamming of the movable joints.

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, 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 (патент РФ №2521102, МПК H05B 1/02, опубл. 27.06.2014).The closest analogue (prototype) is a device containing an electric heater located near a heated apparatus connected to the output of a voltage regulator connected by an input to the output of a regulating device, the first input of which is connected to the temperature setter of the heated apparatus, and the second to the output of the temperature sensor of the heated apparatus, containing an electric heater located near the heated apparatus connected to the output of a voltage regulator connected by an input to an output the house of the control device, the first input of which is connected to the temperature setter of the heated apparatus, and the second - with the output of the temperature sensor of the heated apparatus (RF patent No. 2521102, IPC H05B 1/02, publ. 06/27/2014).

Недостатком данного устройства является то, что при изменении температуры и влажности окружающей среды поддержание постоянной температуры обогреваемого аппарата, осуществляемого регулятором температуры, используемым в указанном устройстве, не обеспечивает надежной его работы при изменении температуры окружающей среды в широком диапазоне. Так, например, при настройке регулятора температуры на отрицательную температуру окружающей среды повышение последней до плюсовых значений будет приводить к перегреву обогреваемого элемента, что будет приводить к увеличению зазоров в подвижных элементах аппарата и утечке сжиженного газа. Это приводит к необходимости изменения задания температуры при изменении температуры и влажности окружающей среды.The disadvantage of this device is that when changing the temperature and humidity of the environment, maintaining a constant temperature of the heated apparatus, carried out by the temperature controller used in the specified device, does not provide reliable operation when the ambient temperature changes over a wide range. So, for example, when adjusting the temperature controller to a negative ambient temperature, increasing the latter to positive values will lead to overheating of the heated element, which will lead to an increase in the gaps in the moving elements of the apparatus and leakage of liquefied gas. This leads to the need to change the temperature setting when the temperature and humidity of the environment change.

Техническая задача, решаемая предлагаемым устройством, состоит в обеспечении требуемой для надежного функционирования криогенного аппарата температуры при изменении температуры и влажности окружающей среды в широком диапазоне, автоматическое регулирование которой исключает образование наледи и заклинивание подвижных соединений элементов аппарата, а также чрезмерное увеличение зазоров, приводящее к утечке сжиженного газа.The technical problem solved by the proposed device is to provide the temperature required for reliable operation of the cryogenic apparatus when the temperature and humidity of the environment change over a wide range, the automatic regulation of which eliminates the formation of ice and jamming of the movable joints of the apparatus elements, as well as an excessive increase in the gaps leading to leakage liquefied gas.

Технический эффект, заключающийся в обеспечении бесперебойного режима работы криогенного оборудования, достигается тем, что в известное устройство, содержащее размещенный вблизи обогреваемого элемента 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, введены датчик температуры окружающей среды, функциональный блок и суммирующий элемент, соединенный суммирующим входом с выходом задатчика температуры, а вычитающим входом через функциональный блок - с выходом датчика температуры окружающей среды.The technical effect of ensuring the uninterrupted operation of cryogenic equipment is achieved by the fact that in a known device containing an electric heater located near the heated element of the apparatus, connected to the output of a voltage regulator connected to the input to the output of the control device, the first input of which is connected to the temperature setter of the heated apparatus, and the second - with the output of the temperature sensor of the heated apparatus, an ambient temperature sensor, ny unit and the summing junction, summing inputs connected to the output setpoint temperature and the subtraction input through the functional unit - yield ambient temperature sensor.

Кроме того, в предлагаемое устройство может быть введены датчик влажности окружающей среды и дополнительный функциональный блок, а суммирующий элемент снабжен третьим суммирующим входом, подключенным к выходу дополнительного функционального блока, соединенного входом с выходом датчика влажности окружающей среды.In addition, an environmental humidity sensor and an additional functional unit can be introduced into the proposed device, and the summing element is equipped with a third totalizing input connected to the output of the additional functional unit connected to the output of the ambient humidity sensor by the input.

Устройство поясняется чертежом, на котором изображена функциональная схема системы для адаптивного регулирования температуры криогенного аппарата.The device is illustrated in the drawing, which shows a functional diagram of a system for adaptive temperature control of a cryogenic apparatus.

Устройство для адаптивного обогрева криогенного регулирующего аппарата содержит размещенный вблизи обогреваемого элемента аппарата электрический нагреватель 1, подключенный к выходу регулятора напряжения 2, соединенного входом с выходом регулирующего устройства 3, первый вход которого подключен к выходу суммирующего элемента 4, а второй вход - к выходу датчика 5 температуры обогреваемого аппарата. Задатчик 6 температуры Θ_а обогреваемого аппарата подключен к первому суммирующему входу суммирующего элемента 4, второй вычитающий вход которого соединен с выходом датчика 7 температуры Θ_о окружающей среды через функциональный блок 8. Третий суммирующий вход суммирующего элемента 4 связан через дополнительный функциональный блок 9 с выходом датчика 10 влажности окружающей среды.A device for adaptive heating of the cryogenic control apparatus comprises an electric heater 1 located near the heated element of the apparatus, connected to the output of the voltage regulator 2, connected to the output of the regulating device 3, the first input of which is connected to the output of the summing element 4, and the second input to the output of the sensor 5 temperature of the heated apparatus. Setting unit 6 _{and the} temperature Θ of the heated apparatus is connected to a first summing input of summing element 4, a second subtracting input of which is connected with the output of the temperature sensor 7 Θ _about the environment through the functional unit 8. The third summing input of summing element 4 is connected via a further functional unit 9, the sensor output 10 environmental humidity.

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. При плюсовых температурах окружающей среды и низкой влажности наружного воздуха обледенения трущихся деталей аппарата, как правило, не происходит. Однако при увеличении влажности воздуха и 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.The device operates as follows. In a working cryogenic installation, liquefied gas has a temperature lying in the range of -130-180 ° C, while the temperature of the outside air (environment) can vary from -40 to + 40 ° C. At positive ambient temperatures and low humidity of the outside air, icing of the friction parts of the apparatus, as a rule, does not occur. However, with increasing air humidity and lowering ambient temperature, the moving elements of the apparatus are iced up both inside its body and outside. To ensure the operability of the regulatory apparatus when the ambient temperature changes, an electric heating element 1 is installed on its housing. The electric heating element 1 can be made in the form of a resistive element, as shown in the device described in the above RF patent No. 2521102, or in the form of an induction heater described in the patent of the Russian Federation for utility model No. 144886. The proposed structure of the device is invariant with respect to the type of electric heater and its structural design and is universal for heating cryogenic devices.

Для поддержания требуемой температуры обогреваемого аппарата (на чертеже не показан) в устройстве используются регулятор напряжения 2, задатчик температуры обогреваемого аппарата 6, датчик 5 температуры Θ_а обогреваемого аппарата и регулирующее устройство 3. Для обеспечения работоспособности аппарата при изменении температуры окружающей среды Θ_о необходимо регулировать мощность, поступающую на электрический нагреватель 1, поддерживая, тем самым, заданную температуру Θ_а обогреваемого аппарата. Поддержание заданной температуры Θ_а обогреваемого аппарата осуществляется системой регулирования температуры, включающей в себя регулятор напряжения 2, датчик температуры 5 и регулирующее устройство 3. Регулирующее устройство 3 сравнивает сигнал Θ_з, поступающий от задатчика температуры 6, с сигналом Θ_а обратной связи, поступающим от датчика температуры 5, расположенного на корпусе обогреваемого аппарата. На выходе регулирующего устройства 3 вырабатывается сигнал, пропорциональный разности температур ΔΘ=Θ_з-Θ_а, который обеспечивает регулирование мощности, поступающей от регулятора напряжения 2 в электрический нагреватель 1. Как следует из приведенного выражения, изменение температуры Θ_а корпуса обогреваемого аппарата при изменении температуры окружающей среды будет приводить к изменению мощности, поступающей в электрический нагреватель 1 и, следовательно, будет приводить к восстановлению заданного температурного режима аппарата.To maintain a desired temperature of heated apparatus (not shown) in the apparatus 2 uses the voltage, temperature setpoint heated apparatus 6, the temperature sensor 5 _and Θ heated regulator device and regulating device 3. To ensure machine operability at the ambient temperature must be adjusted _to Θ the power supplied to the electric heater 1, thereby maintaining a predetermined temperature Θ _{a of the} heated apparatus. Maintaining the set temperature Θ _{a of the} heated apparatus is carried out by the temperature control system, which includes a voltage regulator 2, a temperature sensor 5 and a regulating device 3. The regulating device 3 compares the signal Θ _з coming from the temperature setter 6 with the signal Θ _{a of the} feedback coming from temperature sensor 5 located on the body of the heated apparatus. At the output of the control device 3 produces a signal proportional to the temperature difference ΔΘ = Θ _and -Θ _of which provides an electrical heater control power supplied from the voltage regulator 1. 2 As apparent from the above expression, Θ _and change of temperature of the heated body with the temperature change environment will lead to a change in the power supplied to the electric heater 1 and, therefore, will lead to the restoration of a given temperature regime of the apparatus.

Поддержание неизменной заданной температуры Θ_з при изменении температуры Θ_о и влажности В окружающего воздуха в широком диапазоне не обеспечивает требуемых условий обогрева аппарата. Как правило, выбор заданного значения температуры Θ_з 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_з, требуемое для обеспечения работоспособности аппарата, практически невозможно. Поэтому чаще всего оператору необходимо производить перенастройку регулятора температуры при значительных изменениях температуры и влажности окружающего воздуха. В противном случае работа с постоянным значением температуры задания, т.е. при Θ_з=const, будет приводить к перегреву обогреваемого аппарата при высоких температурах окружающей среды и влажности, а при низких температурах - к обледенению аппарата из-за недостаточной мощности, вводимой в электрический нагреватель.Maintaining a constant set temperature Θ _при with a change in temperature и _о and humidity В of ambient air in a wide range does not provide the required conditions for heating the device. As a rule, the choice of the set temperature Θ _{s is} made for some average values of the environmental parameters. Given the difficulty and the large error in determining the heat engineering parameters of the heated apparatus and electric heater, it is practically impossible to calculate the value of the set temperature Θ _s required to ensure the operability of the apparatus. Therefore, most often the operator needs to reconfigure the temperature controller with significant changes in temperature and humidity. Otherwise, work with a constant value of the reference temperature, i.e. at Θ _з = const, it will lead to overheating of the heated apparatus at high ambient temperatures and humidity, and at low temperatures - to icing up of the apparatus due to insufficient power introduced into the electric heater.

Для автоматического изменения заданного значения температуры обогреваемого аппарата при изменении параметров окружающей среды в предлагаемое устройство вводят один или два контура адаптации, которые могут быть использованы как раздельно, так и совместно.To automatically change the set value of the temperature of the heated apparatus when changing environmental parameters, one or two adaptation circuits are introduced into the proposed device, which can be used both separately and jointly.

Контур адаптации к изменению температуры окружающей среды включает в себя функциональный блок 8 и датчик 7 температуры Θ_з окружающего воздуха. При этом суммирующий элемент 4 дополняют вычитающим входом, к которому подключают выход функционального блока 8, соединенного входом с выходом датчика 7 температуры окружающей среды. Функциональный блок 8 представляет собой усилитель с нелинейной характеристикой, выполненный по известным схемам. Использование в предлагаемом устройстве функционального блока с нелинейной характеристикой вход-выход вызвано нелинейной зависимостью требуемого изменения заданного значения температуры Θ_з при изменении температуры окружающего воздуха. Работа контура адаптации заключается в том, что при увеличении температуры окружающего воздуха заданное значение температуры Θ_з уменьшается, поскольку сигнал с выхода функционального блока 8, имеющий положительное значение, поступает на вычитающий вход сумматора 4, приводя к снижению мощности регулятора напряжения 2. При низкой температуре окружающей среды на выходе функционального блока 8 вырабатывается отрицательный сигнал, который, поступая на вычитающий вход сумматора 4, приводит к увеличению заданного значения температуры Θ_з и, следовательно, к увеличению мощности, поступающей в электрический нагреватель.The adaptation circuit to change the ambient temperature includes a function block 8 and a temperature sensor 7 Θ _s ambient air. In this case, the summing element 4 is supplemented by a subtracting input, to which the output of the functional unit 8 is connected, connected to the input with the output of the ambient temperature sensor 7. Function block 8 is an amplifier with a non-linear characteristic, made according to known schemes. The use of a functional block with a non-linear characteristic input-output in the proposed device is caused by the non-linear dependence of the required change in the set temperature Θ _s when the ambient temperature changes. The work of the adaptation circuit is that when the ambient temperature increases, the set temperature Θ _з decreases, since the signal from the output of the function block 8, having a positive value, is fed to the subtracting input of the adder 4, resulting in a decrease in the power of voltage regulator 2. At low temperature environment at the output of functional block 8 produces a negative signal which is received at a subtracting input of adder 4, leads to an increase in setpoint temperature Θ _s and with edovatelno to increase power supplied to the electric heater.

Контур адаптации к изменению влажности В окружающей среды включает в себя дополнительный функциональный блок 9, аналогичный блоку 8, и датчик 10 влажности В окружающего воздуха. При этом суммирующий элемент 4 снабжают третьим суммирующим входом, соединенным через дополнительный функциональный блок 9 с выходом датчика влажности 10. Работа контура адаптации к изменению влажности В окружающего воздуха аналогична рассмотренной выше работе контура адаптации к изменению температуры окружающей среды. Поскольку сигнал, пропорциональный влажности В окружающего воздуха, не изменяет знак в отличие от сигнала, пропорционального температуре окружающей среды, то он, поступая на суммирующий вход суммирующего элемента, будет только увеличивать заданное значение температуры обогреваемого аппарата при увеличении влажности.The adaptation circuit to change the humidity In the environment includes an additional functional unit 9, similar to block 8, and the sensor 10 humidity In the ambient air. In this case, the summing element 4 is provided with a third summing input connected via an additional functional unit 9 to the output of the humidity sensor 10. The operation of the adaptation circuit to change humidity in ambient air is similar to the above-described operation of the adaptation circuit to change ambient temperature. Since the signal proportional to humidity B of the ambient air does not change sign, in contrast to the signal proportional to ambient temperature, it, entering the summing input of the summing element, will only increase the set value of the temperature of the heated apparatus with increasing humidity.

В настоящее время регулятор напряжения 2 выполняется на тиристорах и выпускается серийно, например, в виде твердотельного реле типа ТТР. Регулирующее устройство 3 выполняется, как правило, в виде серийно выпускаемого программируемого микропроцессорного контроллера, в котором оператором задается на дисплее требуемая температура Θ_з. В качестве датчиков температуры обогреваемого аппарата и окружающего воздуха целесообразно использовать стандартную термопару, например хромель-копелевую. Датчик влажности воздуха также выпускается серийно. Функциональные блоки 8 и 9, как уже отмечалось выше, выполняются на операционных усилителях по известным схемам. Таким образом, реализация регулятора температуры не вызывает трудностей и выполняется на серийных покупных элементах.Currently, voltage regulator 2 is performed on thyristors and is commercially available, for example, in the form of a solid-state relay of the TTR type. The control device 3 is usually performed in the form of a commercially available programmable microprocessor controller, in which the operator sets the desired temperature on the display Θ _h . It is advisable to use a standard thermocouple, such as chromel-kopel, as temperature sensors for the heated apparatus and the ambient air. A humidity sensor is also available as standard. Functional blocks 8 and 9, as noted above, are performed on operational amplifiers according to known schemes. Thus, the implementation of the temperature controller does not cause difficulties and is performed on serial purchased items.

Claims

1. A device for adaptive heating of a cryogenic apparatus, for example, a control valve, comprising an electric heater located near the apparatus to be heated, connected to the output of a voltage regulator connected by an input to the output of the regulating device, the first input of which is connected to the temperature setter of the heated apparatus, and the second to the sensor output temperature of the heated apparatus, characterized in that an ambient temperature sensor, a functional unit and a summing element are connected the first summing input with the output of the temperature setter, and the second subtracting input through the function block with the output of the ambient temperature sensor.

2. The device according to claim 1, characterized in that an environmental humidity sensor and a second functional unit are introduced, and the summing element is equipped with a third summing input connected via an additional functional unit to the output of the humidity sensor.

3. The device according to p. 2, characterized in that the functional unit and the additional functional unit are made in the form of an amplifier with a non-linear characteristic.