RU2521102C1

RU2521102C1 - Device for zonal heating of cryogenic control apparatus

Info

Publication number: RU2521102C1
Application number: RU2012146836/07A
Authority: RU
Inventors: Михаил Викторович Рубцов; Виктор Петрович Рубцов; Максим Сергеевич Зубарев
Original assignee: Михаил Викторович Рубцов
Priority date: 2012-11-02
Filing date: 2012-11-02
Publication date: 2014-06-27
Also published as: RU2012146836A

Abstract

FIELD: heating.

SUBSTANCE: device for zonal heating of a cryogenic control apparatus, for example, of a shutting off element which comprises a hollow casing 1 fixed in the housing of a cryogenic cavity, a stem 2 mounted inside the casing, movable along it and connected by one end to the output of the stem travelling drive 3 and by the other end - to a shutting off element 4 which provides for the change of the flow passage section in the pipeline where liquefied gas is transported. At least one resistance heating element 11 and temperature sensor 12 are mounted on the outer side of the control apparatus casing 1. The heating element 11 and the temperature sensor 12 can be mounted on the drive 3 case as well. Additionally the device comprises a voltage regulator 13, a temperature selector 14 and a control device 15 connected by its first input to the output of the temperature selector, by its second input - to the output of the temperature sensor and by its output to the control input of the voltage regulator with the power input of the latter being connected to the input of a power supply source 16. For easier installation on the apparatus casing 1 the heating element 11 can be made annular and detachable in axial direction.

EFFECT: invention provides for uninterrupted equipment operation.

3 cl, 2 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.

Известно устройство для зонального нагрева, содержащее нагревательные элементы, подключенные к источнику питания, размещенные в разъемном по образующей кожухе, состоящем из двух частей, причем форма нагревательных элементов повторяет форму нагреваемого объекта, нагревательные элементы соединены с одной стороны с токоподводами, с другой стороны - с кожухом, части кожуха соединены электрически между собой.A device for zonal heating is known, containing heating elements connected to a power source, housed in a detachable housing forming in two parts, the shape of the heating elements repeating the shape of the heated object, the heating elements are connected on one side to current leads, on the other hand, to casing, parts of the casing are electrically connected to each other.

Недостатком известного устройства является необходимость проведения сборочных операций при смене обогреваемого объекта.A disadvantage of the known device is the need for assembly operations when changing a heated object.

Наиболее близким является устройство для перекачки сжиженного газа, в частности регулирующего клапана, содержащего 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).The closest is a device for pumping liquefied gas, in particular a control valve containing a hollow body fixed in a cryogenic tank housing, inside of which a rod movable along the body is placed, connected at one end to the output of the rod displacement actuator and the other to a valve disc that changes the flow area a pipeline through which liquefied gas flows (Belyakov V.P. Cryogenic equipment and technology. - M.: Energoatomizdat, 1982, p. 52-54).

Недостатком данного устройства является то, что при изменении температуры и влажности окружающей среды элементы криогенного регулирующего аппарата при температуре внутри аппарата порядка - 180°С, 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 cryogenic control apparatus at a temperature inside the apparatus of the order of - 180 ° C, located outside the cryogenic tank, freeze. 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, а также возможность установки системы обогрева в работающем оборудовании без его разборки.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 movable joints, as well as the possibility of installing a heating system in operating equipment without disassembling it.

Технический эффект, заключающийся в обеспечении непрерывного режима работы криогенного оборудования, достигается тем, что в известное устройство, содержащее закрепленный в кожухе криогенной емкости полый корпус регулирующего аппарата, внутри которого размещен подвижный вдоль корпуса шток, связанный одним концом с выходом привода перемещения штока, а другим - с запирающим элементом клапана, изменяющего проходное сечение трубопровода, по которому протекает сжиженный газ, с наружной стороны корпуса регулирующего аппарата установлено не менее одного резистивного нагревательного элемента и датчика температуры, а также введены регулятор напряжения, задатчик температуры и регулирующее устройство, подключенное первым входом к выходу задатчика температуры, вторым входом - к выходу датчика температуры, а выходами - к управляющему входу регулятора напряжения, подключенного силовым входом к источнику питания.The technical effect of providing continuous operation of the cryogenic equipment is achieved by the fact that in the known device comprising a hollow body of a regulating apparatus fixed in a cryogenic tank housing, inside of which is a rod movable along the body, connected at one end to the output of the rod displacement drive, and to the other - with a locking element of the valve that changes the flow cross section of the pipeline through which the liquefied gas flows, it is installed on the outside of the control unit less than one resistive heating element and a temperature sensor, and also introduced a voltage regulator, a temperature controller and a control device connected by the first input to the output of the temperature controller, the second input to the output of the temperature sensor, and the outputs to the control input of the voltage controller connected to the power input to power source.

Кроме того, в предлагаемом устройстве нагревательный элемент может быть выполнен разъемным по оси корпуса.In addition, in the proposed device, the heating element can be made detachable along the axis of the housing.

Предлагаемое устройство может быть также дополнено установленными на наружной стороне корпуса привода датчиком температуры и резистивным нагревательным элементом, аналогичными указанными выше, а также введены соединенные аналогично ранее введенным регулирующее устройство, задатчик температуры и регулятор напряжения.The proposed device can also be supplemented with a temperature sensor mounted on the outside of the drive housing and a resistive heating element similar to those indicated above, as well as introduced a regulating device, a temperature regulator and a voltage regulator connected similarly to those previously introduced.

Известно использование резистивных электрических нагревателей и автоматических регуляторов температуры для нагрева различных промышленных объектов (см. например, Автоматическое управление электротермическими установками: Учебник для вузов /A.M.Кручинин, К.М.Махмудов, Ю.М.Миронов и др.; Под ред. А.Д.Свенчанского. - М.: Энергоатомиздат, 1990, с.175-207). Применение резистивных нагревателей с системами автоматического регулирования температуры авторам не известно.It is known to use resistive electric heaters and automatic temperature controllers for heating various industrial facilities (see, for example, Automatic control of electrothermal installations: Textbook for universities / AMKruchinin, K.M. Makhmudov, Yu.M. Mironov et al .; Ed. A .D.Svenchansky. - M.: Energoatomizdat, 1990, p. 175-207). The use of resistive heaters with automatic temperature control systems is not known to the authors.

Устройство поясняется чертежами, где на фиг.1 схематично изображен разрез стенки камеры в месте установки регулирующего аппарата, а на фиг.2 - функциональная схема регулятора температуры.The device is illustrated by drawings, where figure 1 schematically shows a section of the wall of the chamber at the installation site of the regulatory apparatus, and figure 2 is a functional diagram of a temperature controller.

Устройство для обогрева криогенного регулирующего аппарата (фиг.1) содержит закрепленный в кожухе криогенной емкости полый корпус регулирующего аппарата 1, внутри которого размещен подвижный в осевом направлении корпуса шток 2, связанный одним концом с выходом привода 3 перемещения штока, а другим - с запирающим элементом 4, изменяющим проходное сечение трубопровода 5, по которому протекает находящийся в криогенной емкости сжиженный газ с температурой Θ_вн, лежащей в диапазоне - 130-180°С. Стрелками на фиг.1 показано направление потока газа в трубопроводе 5. Криогенная камера на чертеже не приводится, поскольку ее форма (в виде цилиндра или призмы) не оказывает влияния на существо предложения. На фиг.1 приведен фрагмент оболочки (стенки) криогенной камеры, состоящей из внутренней 6 и наружной 7 стенок, полость между которыми заполнена насыпным теплоизолирующим материалом 8, например перлитом. В криогенной камере между внутренней и наружной стенками выделена полость для размещения регулирующего аппарата (цилиндрической или призматической формы, что несущественно), герметично отделенная от стенок 6 и 7 криогенной камеры оболочкой 9, которая также заполняется теплоизолирующим материалом 10 (например, стекловатой). Полый корпус 1 регулирующего аппарата установлен внутри полости образованной оболочкой 9 и стенками 6, 7 криогенной камеры. С наружной стороны корпуса 1 регулирующего аппарата установлено не менее одного резистивного нагревательного элемента 11 и датчика температуры 12. Число нагревательных элементов может быть произвольным и определяется с одной стороны, мощностью необходимой для нагрева аппарата до желаемой температуры, а с другой - размерами нагревательных элементов 11 и объемом полости, в которой размещен регулирующий аппаратA device for heating a cryogenic control apparatus (Fig. 1) comprises a hollow casing of the control apparatus 1 fixed in a cryogenic tank casing, inside of which a rod 2 movable in the axial direction of the casing is located, connected at one end to the output of the rod displacement actuator 3, and the other to a locking element 4, changing the flow cross section of the pipeline 5, through which flows a liquefied gas located in a cryogenic tank with a temperature Θ _vn lying in the range - 130-180 ° C. The arrows in figure 1 show the direction of gas flow in the pipeline 5. The cryogenic chamber is not shown in the drawing, since its shape (in the form of a cylinder or a prism) does not affect the essence of the proposal. Figure 1 shows a fragment of the shell (wall) of the cryogenic chamber, consisting of an inner 6 and an outer 7 walls, the cavity between which is filled with bulk heat-insulating material 8, for example perlite. In the cryogenic chamber between the inner and outer walls, a cavity is allocated for accommodating the control apparatus (cylindrical or prismatic, which is insignificant), hermetically separated from the walls 6 and 7 of the cryogenic chamber by a shell 9, which is also filled with heat-insulating material 10 (for example, glass wool). The hollow body 1 of the regulatory apparatus is installed inside the cavity formed by the shell 9 and the walls 6, 7 of the cryogenic chamber. At least one resistive heating element 11 and a temperature sensor 12 are installed on the outside of the housing 1 of the control apparatus 12. The number of heating elements can be arbitrary and is determined on the one hand by the power required to heat the apparatus to the desired temperature, and on the other hand, by the dimensions of the heating elements 11 and the volume of the cavity in which the regulatory apparatus is located

Для поддержания требуемой температуры корпуса 1 регулирующего аппарата введены регулятор напряжения 13, задатчик температуры 14 и регулирующее устройство 15. Первый вход регулирующего устройства 15 соединен с выходом задатчика температуры 14, второй вход устройства 13 соединен с выходом датчика температуры 12, а выходом - с управляющим входом регулятора напряжения 13, подключенного силовым входом к источнику питания 16 (фиг.2).To maintain the required temperature of the housing 1 of the regulatory apparatus, a voltage regulator 13, a temperature regulator 14 and a regulating device 15 are introduced. The first input of the regulating device 15 is connected to the output of the temperature regulator 14, the second input of the device 13 is connected to the output of the temperature sensor 12, and the output to the control input voltage regulator 13 connected by a power input to a power source 16 (figure 2).

Для удобства монтажа каждый нагревательный элемент 11, охватывающий корпус 1 аппарата, целесообразно выполнять разъемным в направлении оси корпуса.For ease of installation, each heating element 11 covering the housing 1 of the apparatus, it is advisable to perform detachable in the direction of the axis of the housing.

При низких температурах Θ_н окружающей среды и повышенной влажности может оказаться целесообразной установка на корпусе привода 3 дополнительных нагревательных элементов 17 и датчиков температуры 18, аналогичных основным нагревательным элементам 11 и датчикам 12. Схема подключения к источнику питания 16 дополнительных нагревательных 17 аналогична схеме подключения основных нагревательных элементов 11 (см. фиг.1).At low temperatures Θ _n ambient and high humidity can be advantageous to install on the actuator housing 3 additional heating elements 17 and temperature sensors 18, similar to the main heating elements 11 and sensors 12. Connection to a power source 16 additional heating circuit 17 is similar to connect the main heating elements 11 (see figure 1).

Устройство работает следующим образом. В работающей криогенной установке сжиженный газ имеет температуру, лежащую в диапазоне - 130 -180°С, в то время как температура наружного воздуха может колебаться от - 40 до +40°С. При плюсовых температурах наружного воздуха, низкой влажности и хорошей теплоизоляции обледенение 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 1 предлагается устанавливать один или более нагревательный элемент 11 и датчик температуры 12, располагая его на некотором расстоянии от нагревательного элемента. Полость, ограниченная с одной стороны корпусом регулирующего аппарата, а с другой - оболочкой 9 криогенной камеры, как правило, имеет ограниченный объем и труднодоступна для установки каких-либо дополнительных элементов, поскольку в ней расположены различного рода опоры, удерживающие аппарат в криогенной камере.The device operates as follows. In a working cryogenic installation, liquefied gas has a temperature lying in the range - 130 -180 ° C, while the temperature of the outside air can range from - 40 to + 40 ° C. At plus outside temperatures, low humidity and good thermal insulation, 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, it is proposed to install one or more heating element 11 and a temperature sensor 12 on its housing 1, positioning it at a certain distance from the heating element. The cavity, limited on one side by the casing of the regulating apparatus, and on the other, by the shell 9 of the cryogenic chamber, as a rule, has a limited volume and is difficult to install any additional elements, since it contains various kinds of supports that hold the apparatus in the cryogenic chamber.

Для удобства монтажа нагревательного элемента 11 в действующей криогенной установке его целесообразно выполнять в виде разъемного вдоль оси корпуса регулирующего аппарата 1 и плотно охватывающего последний кольца, осевые и радиальные размеры которого определяются расстоянием между удерживающими корпус регулирующего аппарата 1 опорами и диаметром технологической полости, окружающей корпус аппарата. По указанным причинам может оказаться более предпочтительным устанавливать несколько нагревательных элементов 11 меньшей длины и диаметра, чем один такой же мощности. Кроме того, установка нескольких нагревателей позволяет обеспечить лучшее распределение температур по длине аппарата, что благоприятно сказывается на его работоспособности. После установки нагревательных элементов 11 и термопар 12 полость вокруг корпуса регулирующего аппарата 1 заполняют теплоизоляционным материалом, например минеральной ватой, не взаимодействующей с кислородом.For ease of installation of the heating element 11 in the existing cryogenic installation, it is advisable to perform it in the form of a regulating apparatus 1 detachable along the axis of the casing and tightly covering the last ring, the axial and radial dimensions of which are determined by the distance between the supports holding the casing of the regulating apparatus 1 and the diameter of the technological cavity surrounding the apparatus casing . For these reasons, it may be preferable to install several heating elements 11 of shorter length and diameter than one of the same power. In addition, the installation of several heaters allows for a better temperature distribution along the length of the apparatus, which favorably affects its performance. After installing the heating elements 11 and thermocouples 12, the cavity around the housing of the control apparatus 1 is filled with heat-insulating material, for example, mineral wool that does not interact with oxygen.

Поддержание требуемого распределения температур корпуса 1 регулирующего аппарата исключает заклинивание подвижного штока 2 и обеспечивает надежное функционирование запирающего элемента 4 при изменении температуры и влажности окружающего воздуха в широких пределах.Maintaining the required temperature distribution of the housing 1 of the control apparatus eliminates jamming of the movable rod 2 and ensures the reliable functioning of the locking element 4 when changing the temperature and humidity of the ambient air over a wide range.

При низких температурах окружающей среды мощности нагревательных элементов, установленных на корпусе 1 аппарата, может оказаться недостаточно для поддержания требуемой температуры привода 3, что может привести к его обледенению. Для исключения обледенения корпуса привода аппарата на его корпусе целесообразно установить дополнительные нагревательные элементы и датчик температуры, аналогичные установленным на корпусе 1. Регулирование мощности нагревательного элемента, установленного на корпусе привода 3, осуществляется с помощью регулятора температуры (фиг.2), аналогичного регулятору температуры, используемому для нагревательных элементов, установленных на корпусе 1 аппарата.At low ambient temperatures, the power of the heating elements installed on the housing 1 of the device may not be enough to maintain the required temperature of the drive 3, which can lead to icing. To prevent icing of the drive housing of the apparatus on its housing, it is advisable to install additional heating elements and a temperature sensor similar to those installed on the housing 1. The power of the heating element installed on the housing of the drive 3 is controlled using a temperature controller (Fig. 2), similar to a temperature controller, used for heating elements mounted on the housing 1 of the apparatus.

Для обеспечения работоспособности аппарата при изменении температуры окружающей среды необходимо регулировать мощность, поступающую на нагревательный элемент 11, поддерживая тем самым заданную температуру корпуса регулирующего аппарата 1. Поддержание требуемой температуры корпуса 1 регулирующего аппарата обеспечивается с помощью системы автоматического регулирования температуры, включающей в себя (для каждого нагревательного элемента 11) 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 0₃, поступающий от задатчика температуры 14, с сигналом 0 обратной связи, поступающим от датчика температуры 12, расположенного на корпусе 1 аппарата. На выходе регулирующего устройства 15 вырабатывается сигнал, пропорциональный разности температур ΔΘ=Θ_з-Θ, который обеспечивает регулирование мощности, поступающей в нагревательный элемент 11. Как следует из приведенного выражения, изменение температуры Θ корпуса 1 регулирующего аппарата при изменении температуры окружающей среды будет приводить к изменению мощности, поступающей в нагревательный элемент и, следовательно, будет приводить к восстановлению заданного температурного режима аппарата.To ensure the operability of the apparatus when the ambient temperature changes, it is necessary to regulate the power supplied to the heating element 11, thereby maintaining a predetermined temperature of the housing of the regulating apparatus 1. Maintaining the required temperature of the housing 1 of the regulating apparatus is ensured by an automatic temperature control system including (for each heating element 11) voltage regulator 13, regulating device 15, temperature setpoint 14 and temperature sensor 12. The voltage regulator 13 is connected by a power input to a power source 16 (AC mains), and the control input to the output of the regulating device 15. The regulating device 15 compares the signal 0 ₃ coming from the temperature setter 14 with the feedback signal 0 coming in from the temperature sensor 12 located on the housing 1 of the device. The output of the regulating device 15 produces a signal proportional to the temperature difference ΔΘ = Θ _s- Θ, which provides control of the power supplied to the heating element 11. As follows from the above expression, a change in temperature Θ of the housing 1 of the regulating apparatus with a change in the ambient temperature will lead to a change in the power supplied to the heating element and, therefore, will lead to the restoration of a given temperature regime of the apparatus.

В настоящее время регулятор напряжения 13 выполняется на тиристорах и выпускается серийно. Регулирующее устройство 15 выполняется, как правило, в виде серийно выпускаемого программируемого микропроцессорного контроллера, в котором оператором задается на дисплее требуемая температура Θ_з. В качестве датчика температуры 12 целесообразно использовать стандартную термопару, например хромель-копелевую. Таким образом, реализация регулятора температуры не вызывает трудностей и выполняется на серийных покупных элементах.Currently, the voltage regulator 13 is performed on thyristors and is commercially available. The control device 15 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 . As a temperature sensor 12, it is advisable to use a standard thermocouple, for example chromel-kopel. Thus, the implementation of the temperature controller does not cause difficulties and is performed on serial purchased items.

Claims

1. Устройство для зонального обогрева криогенного регулирующего аппарата, содержащего закрепленный в кожухе криогенной емкости полый корпус регулирующего аппарата, внутри которого размещен подвижный вдоль корпуса шток, связанный одним концом с выходом привода перемещения штока, а другим - с запирающим элементом 4, изменяющим проходное сечение трубопровода, отличающееся тем, что с наружной стороны корпуса регулирующего аппарата установлено не менее одного резистивного нагревательного элемента и датчика температуры, а также введены регулятор напряжения, задатчик температуры и регулирующее устройство, подключенное первым входом к выходу задатчика температуры, вторым входом - к выходу датчика температуры, а выходом - к управляющему входу регулятора напряжения, подключенного силовым входом к источнику питания.1. A device for zonal heating of a cryogenic control apparatus, comprising a hollow casing of the control apparatus fixed in a cryogenic capacity casing, inside of which a rod movable along the casing is located, connected at one end to the output of the rod displacement drive, and the other to a locking element 4 that changes the passage section of the pipeline characterized in that at least one resistive heating element and a temperature sensor are installed on the outside of the housing of the control apparatus, and reg voltage regulator, temperature regulator and control device connected by the first input to the output of the temperature regulator, the second input to the output of the temperature sensor, and the output to the control input of the voltage regulator connected by the power input to the power source.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что нагревательный элемент выполнен кольцевым и разъемным в аксиальном направлении.2. The device according to claim 1, characterized in that the heating element is made annular and detachable in the axial direction.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что на наружной стороне корпуса привода установлены датчик температуры и резистивный нагревательный элемент, а также введены соединенные аналогично ранее введенным регулирующее устройство, задатчик температуры и регулятор напряжения. 3. The device according to claim 1, characterized in that on the outer side of the drive housing a temperature sensor and a resistive heating element are installed, and a control device, a temperature regulator and a voltage regulator connected in the same way as previously introduced are introduced.