Газовая холодильная машина для охлаждения газового конденсата

Для пояснения принципа работы устройства запишем передаточную функцию нелинейного дифференцирующего устройства, состоящего из входного сумматора с передаточной функцией Wв.с(р) = 1; усилителя - Wy(р)=Ку; сумматора обратной связи Wcoc(p)=1; интегрирующего звена Wu(p)=Ku/Р;

Ограничителя амплитуды

Wd?(p)=g(?)

Где g(?) - коэффициент гармонической линеаризации нелинейности типа «насыщение»;

? - амплитуда сигнала на входе ограничителя;

После преобразования получим

Где

Как видно, из полученной передаточной функции 9 коэффициент усиления дифференцирующего звена является нелинейной функцией амплитуды входного сигнала

Постоянная времени дифференцирующего звена Т1(?) характеризует неидеальность дифференцирования; но за счет выбора соответствующих значений параметров её можно сделать достаточно малой .

Так, например, если принять

Кц=100; Кос=0,1; Ку=10, то

Для реальных систем величина g(?) может изменяться от 1 до 0,1.

Отсюда следует, что инерционность звена будет составлять (0,001…0,01), а коэффициент усиления дифференцирующего звена Т2(?)=(0,1…1), т.е. имеется значительная зависимость коэффициента усиления от амплитуды входного сигнала.

На основании проведенного исследования был сделан вывод, что рассмотренные ГКМ, как объекты регулирования с входным параметром по числу оборотов вала приводного двигателя, имеют малый коэффициент передачи. Стабилизация температуры в объектах, описываемых дифференциальными уравнениями 2-го и 3-го порядка, не отвечает заданным требованиям. Для получения необходимых качественных показателей нужно вводить в схему регулятора корректирующее звено.

Метод тепловой компенсации избытка холодопроизводительности.

Техническим заданием на изготовление ГКМ предусматривается определенный срок безотказной работы машины без ремонтных и профилактических работ (моторесурс). Он обычно определяется в несколько тысяч часов. Быстрее всего в существующих машинах изнашиваются бессмазочные уплотнения компрессорного поршня к вытеснителя. Их износ приводит к увеличению утечек и перетечек гелия между полостями, что снижает полезную холодопроизводительность ГКМ. Для того, чтобы машина обеспечивала заданную холодопроизводительность в конце межремонтного периода, машины проектируются и изготавливаются на заведомо большую холодопроизводительность. Из-за этого снижается термодинамическая эффективность и ухудшаются массогабаритные характеристики ГКМ.

Кроме этого, необходимо предусматривать автоматические быстродействующие устройства, позволяющие компенсировать избыток холодопроизводительности и с высокой точностью поддерживать заданную температуру криостатирования объекта. Рассмотренные выше методы по различным причинам не удовлетворяли требованиям производства к эксплуатации. Вследствие этого было предложено установить на теплообменнике нагрузки нагреватель, выделяемую им мощность регулировать с помощью малогабаритных электронных устройств, в зависимости от изменения температуры. Для определения динамических свойств ГКМ, как теплового объекта регулирования с целью правильного подбора регулятора в лаборатории автоматизации НПО МКТ были проведены экспериментальные исследования микроохладителя.

Передаточная функция микроохладителя.

ГКМ исследовалась с помощью частотных методов, основанных на экспериментальном определении частотных характеристик .

Структурная схема системы регулирования представлена на рисунке.

Она включает в себя нагреватель, микроохладитель, измерительный мост, а также устройства, обеспечивающие подачу на вход электрического синусоидального сигнала Хвх=А*sin?tи индикацию выходного сигнала.

Рисунок 8 - Структурная схема системы регулирования.

На выходе наблюдались колебания той же частота, но сдвинутые относительно входных на угол

В результате обработки осциллограмм были построены амплитудная и фазовая частотные характеристики, анализ которых позволил определить запаздывание?= 0,25 с и передаточную функцию системы



где К-коэффициент передачи системы; Т - постоянная времени объекта;

Р=d/d? - оператор дифференцирования.

Из структурной схемы на рисунке 10 имеем

К = Кн Кор Км

Где, К = Кн Кор Км - коэффициенты передачи нагревателя, объекта и моста. После подстановки числовых значений, полученных по результатам эксперимента, имеем

С учетов найденных значений постоянного запаздывания и коэффициента передачи передаточная функция микроохладителя будет иметь вид

После подстановки числовых значений получим

На основании свойств объекта регулирования, условий его работы и требуемой точности регулирования был разработан электронный пропорционально-интегральный регулятор непрерывного действии. Он был сформирован в виде блока контроля и регулирования температуры.

Аналогичным путем было получено математическое описание двухступенчатой газовой криогенной машины, входной координатой которой является угловая скорость вала приводного двигателя, а выходной - температура в зоне охлаждения:

где Кn- коэффициент передачи;

Т2 и Т1 - постоянные времени ГХМ;

? - постоянное запаздывание.

В количественном отношении коэффициенты равны:

Кп=0,08 к с; = 1с2 ; Т1 = 2с ; ? = 1,5 с .

т.е

Проведенная проверка показала достаточную точность аппроксимации.

Блок контроля и регулировки температуры (БКРТ).

Разработанный в НИИ МКТ [II] БКРТ предназначен для контроля и
регулирования температуры в зоне криостатирования. Конструктивно он выполнен в виде отдельного блока (рисунок).



Рисунок 9 - Блок контроля и регулировки температуры

Электромонтаж БКРТ выполнен на двух платах, расположенных внутри корпуса

Регулирование температуры осуществляется Ш4--регулятором непрерывного действия за счет введения в зону криостатирозания компенсирующей нагрузки а виде нагревателя, размещенного на теплообменнике нагрузки ГКМ.

Структурная схема регулятора приведена на рисунке 12 и включает в себя:

- измерительный мост -- ИМ;

- усилитель постоянного тока -- УПТ;

- корректирующее звено - КЗ;

- суммирующий усилитель -- СУ;

- усилитель мощности -- УМ;

- пороговое устройство -- ПУ.



Рисунок 10 - Структурная схема регулятора

В основу работы схема положен мостовой метод измерения сопротивления, являющегося функцией температуры Первичным преобразователем слупит криогенный полупроводниковый термометр сопротивления, размещенный также на теплообменнике нагрузки ГКМ. Он включается в одно из плед измерительного моста постоянного тона ИМ, собранного на резисторах R3, R4, R7, 8 .

Переменные сопротивления R7, R8 "Баланс ТК" , "Грубо" , "Точно" служат для балансировки моста при различных значениях сопротивления термометра и настройки на заданный температурный уровень.

При отклонении температуры от заданного значения в измерительной диагонали моста появляется сигнал разбаланса, амплитуда и фаза которого зависят от величины и направления отклонения температуры. Сигнал разбаланса поступает на вход усилителя постоянного тока УПТ, выполненного на микросхемах А1, А2.

Усиленный сигнал разбаланса поступает на вход корректирующего звена КЗ, представляющего собой нелинейный интегратор. Интегратор с нелинейностями типа "нечувствительность и «ограничение" служит для предотвращения появления автоколебаний в установившемся режиме при внешних возмущающих воздействиях уменьшения статистической ошибки.

Принцип работы корректирующего звена состоит в следующем.

Если температура в зоне криостатирования равна заданной, то напряжение на выходе УЛТ отсутствует. При отклонении регулируемой температуры от заданной усиленный сигнал разбаланса через переменный резистор R23 УРОВ.КОНТР. подается на вход суммирующего усилителя АЗ и через переменный резистор R24 УРОВ.РЕГ. на нелинейную интегрирующую цепь, состоящую из стабисторов V 3, У 4, резисторов R29* и конденсатора Сб, Стабисторы создают в зарядкой цепи интегрирующего конденсатора С6 нелинейность типа «нечувствительность».

Напряжение на конденсаторе С6 является интегралом функции отклонения регулируемой температуры от заданного значения. Напряжение, снимаемое с резистора R23, является функцией отклонения регулируемой температуры. Алгебраическая сумма этих сигналов после суммирующего усилителя подается на вход усилителя мощности (транзисторы V14, VI5) и определяет положение рабочей точки. При повышении температуры в зоне криостатирования ток в цепи нагревателя уменьшается, и наоборот, при понижении - увеличивается. Если колебания регулируемой температуры совершаются в пределах зоны нечувствительности, то её стабилизация осуществляется только за счет сигнала с R23. Для предотвращения произвольного разряда конденсатора Сб на входе суммирующего усилителя установлен полевой транзистор V7, что обеспечивает высокое входное сопротивление. Резисторы R26, R27, R28*, R31* и диоды V5, V6 служат для ограничения напряжения заряда конденсатора Сб по максимуму и минимуму.

Усилитель мощности, собранный на транзисторах VI4, V15, устанавливает в нагревателе такой ток, который необходим для теплового баланса на заданном температурном уровне, причем оптимальное значение статического тона определяется не значением статической ошибки, а значением внешних возмущений.

Для сигнализации выхода системы на рабочий режим слупит пороговое устройство, собранное на микросхеме А4.

Питание БКРГ осуществляется от сети постоянного тока напряжением (27+2,-5)В и стабилизированным напряжением (+15+-1,5)В и (-15+-1,5)В.

Для питания отдельных элементов схемы БКРГ предусмотрены параметрические стабилизаторы, гасящие резисторы R1, R6, R40, R44, R32 и стабилитроны V1, V2, V8, V9, V10. Точность задания температуры +-0,3К. Точность регулирования +-0,5К.

Пневматические схемы регулирования параметров ГКМ.

Одной из основных задач является разработка нового направления по созданию схемы пневматической системы регулирования параметров ГКМ. Цель системы - обеспечение форсированного выхода ГКМ на заданный температурный уровень, обеспечения перехода с форсированного на рабочий режим и регулирование холодопроизводительности на последнем.

В связи с отсутствием в настоящее время экономичных методов регулирования, холодопроизводительность машины с учетом условий эксплуатации выбирается достаточной для максимальной нагрузки системы, регулирование осуществляется с помощью компенсирующей нагрузки а виде нагревательного элемента. Известно , что в зависимости от применяемой контрольно-измерительной аппаратуры упомянутый способ дает удовлетворительную регулировку холодопроизводительности в пределах (80…100%). Этого предела регулирования может быть достаточно для работы ГКМ только на рабочем режиме.

Теоретическая холодопроизводительность прямо пропорциональна массе газа, применяемого в качестве рабочего тела, и натуральному логарифму степени сжатия рабочего тела. Из этого следует, что осуществить регулирование можно двумя способами:

-путем изменения количества рабочего тела;

-путем изменения степени сжатия рабочего тела;

Указанные способы позволяют регулировать холодопроизводительность в интервале (50..100%), что достаточно при работе ГКМ на форсированном и рабочем режимах при различных условиях эксплуатации.

Метод регулирования путем изменения степени сжатия рабочего тела основан на введении мертвого пространства, которое через элемент, управляемый, например, от термопреобразователя, соединен с компрессорной полостью ГКМ. Размеры мертвого пространстве таковы, что при подключении ого к компрессорной полости сжатие рабочего тела в последней не происходит. Этот метод реализован в конструкцию системы регулирования . Мертвое пространство состоит из буферной емкости, соединенной золотником с полостью сжатия (компрессорная полость). Золотник управляется соленоидным клапаном, который приводится в действие усилителем через термопреобразователь. Так как у золотника нет промежуточных положений, кроме «открыто» или «закрыто», то фактически холодопроизводительность машины переключается от максимальной к минимальной и наоборот. Следовательно, известный метод регулирования в рассмотренном конструктивном исполнении не является пропорциональным.

Анализ данной конструкции показывает, что одним из путей её улучшения является замена золотника регулятором расхода, управляемым термопреобразователем. Для систем, не требующих форсированного запуска, буферной емкостью (мертвым пространством) может служить картер камины. представлена данная схема системы регулирования, включающая обратный клапан 1, регулятор расхода 2 и ГКМ 3.

Компрессорная полость машины 3 связана с её картером через обратный клапан 1 и регулятор расхода 2, а также через уплотнение компрессорного поршня. Регулятор расхода 2 управляется термопреобразователем 4, расположенным на холодном цилиндре ГКМ. Как только измеряемая температура отклоняется от заданной, часть рабочего тела поступает из компрессорной полости машины в ее картер.



Рисунок 11 - Схема регулирования ГКМ

При этом происходит не только изменение степени сжатия рабочего тела, но и незначительное уменьшение его количества, участвующего а цикле. Холодопроизводительность ГКМ уменьшается, и заданное значение температуры восстанавливается.

За датчиком уменьшения степени сжатия рабочего тела служит температура, следовательно, холодопроизводительность машины изменяется пропорционально изменению нагрузки. Чтобы предложенная схема полностью удовлетворяла методу регулирования путем изменения степени сжатия рабочего тела, необходимо в неё ввести обратный клапан между картером и компрессорной полостью с направлением перепуска в последнюю. Но введение предложенного дополнительного элемента сузит пределы регулирования холодопроизводительности. Предложенная схема регулирования позволяет применить форсированный запуск машины. При этом потребляемая мощность ГКМ на рабочем режиме будет больше мощности машины с использованием буферной емкости. Это связано с дополнительным выделением тепла в количестве, эквивалентном судне прироста мощности сжатия и потерь мощности в узлах трения. Дополнительное количество тепла выделяется в электродвигателе. Все вышеперечисленное усложняет необходимый для автономности ГКМ контур для отвода тепла во внешнюю среду.

Для регулирования массы рабочего тела может быть применена следующая схема. МКС состоит из ГКМ, полость сжатия которой связана двумя линиями с емкостью. Каждая из линий снабжена обратными клапанами и мембранными регуляторами расхода, имеющими разные пределы срабатывания по давлению. Мембранные регуляторы связаны с приемно-регулирующим узлом. Сигнал (температура., уровень давления) поступает через преобразователь в приемно-регулирующий узел как пневматический сигнал. В зависимости от величины отклонения температуры от заданного уровня пневматический сигнал меняется по давлению в определенных пределах. На уменьшение пневматического сигнала реагирует мембранный регулятор расхода, подпитывающий полость сжатия ГКМ из емкости. На увеличение пневматического сигнала реагирует второй регулятор, через который рабочее тело из полости сжатия поступает в емкость , увеличивая в ней давление Первоначально давление в емкости соответствует среднему давлению в машине. Максимальное давление в емкости соответствует максимальному давлению в полостях сжатия при работе ГКМ. Если при этом производительность машины выше необходимой для максимальной нагрузки, то дальнейший процесс регулирования невозможен, что приводит к колебаниям температуры. Следовательно, выбор среднего давления в машине для обеспечения форсированного пуска ограничен. Кроме того, необходимость в приемно-регулирующем узле и преобразователе любого из сигналов в пневматический усложняет МКС и требует введение в преобразователь корректирующих элементов в виде обратной связи. Этого недостатка можно избежать заменой мембранных регуляторов расхода на регуляторы, управляемые от преобразователя через усилитель.

На рисунке 11 представлена схема регулирования, сочетающая метод изменения количества рабочего тела и метод изменения степени его сжатия. Как и в рассмотренной выше схеме, в форсированном режиме участвует весь запас рабочего тела до получения заданной температуры. Затем часть рабочего тела перекачивается в емкость, а в картере ГКМ давление рабочего тела понижается до давления, при котором холодопроизводительность машины достаточна для максимальной нагрузки МКС. Регулирование в процессе изменения условий эксплуатации происходит путем изменения степени сжатия рабочего тела. Данная схема пневматическая и по сравнению с известной , также позволяет увеличить среднее давление в машине.

Рабочая полость машины 1 через последовательно установленные обратные клапаны 2, 3 и электромагнитный нормально закрытый клапан 4 соединена с емкостью 5.

Емкость 5 снабжена заправочным клапаном 6 и соединена электромагнитным нормально открытым клапаном 7 с картером ГКМ. Полость, образованная обратными клапанами 2, 3, через регулятор соотношения давлении 8 и электромагнитный регулятор расхода 9 соединена с картером ГКМ. Клапан 4 и регулятор расхода 9 управляются от термопреобразователя 10. Регулятор давления 8 связан линией с емкостью 5. При включении МКС подается напряжение на клапан 7, который отсоединяет емкость 5 от картера ГКМ, а в линии, связанной с рабочей полостью и ограниченном клапаном 4 и регулятором 8, повышается давление до величины, равной максимальному давлению в цикле при выбранном среднем давлении в машине. При достижении заданной температуры подается напряжение через усилитель от термопреобразователя на клапан 4 и регулятор 9. Через клапан 4 рабочее тело из полости сжатия машины поступает в емкость 5, увеличивая в ней давление. При этом давление в картере ГКМ уменьшается. Как только давление рабочего тела в полости сжатия и емкости 5 уравняются, регулятор соотношения давления 8 открывается и соединяет полость между-обратными клапанами 2, 3 с регулятором расхода 9. Картер ГКМ и емкость 5 рассчитаны таким образом, что давление первой соответствует производительности машины при максимальной нагрузке МКС. При отклонении температуры от заданной напряжение на регуляторе 9 повышается, и рабочее тело через него перетекает из рабочей полости в картер. Степень сжатия рабочего тела понижается, и температура восстанавливается. Как и в предыдущих схемах, рабочая полость ГКМ дополнительно связана с её картером через уплотнение компрессорного поршня.

Схема регулирования ГКМ, дает возможность переходить к ранее рассмотренным и другим путем исключения ив неё отдельных элементов схемы.

Основные функции регулирования выполняют регулятор соотношения давлений и электромагнитный регулятор расхода.

На основании анализа известных конструкций регуляторов соотношения предложено регулирующий орган связать с чувствительным элементом реверсивным механизмом, в качестве которого использовать тело качения, например, шарики, и расположить их между коническим поверхностями, выполненными на регулирующем органе и чувствительном элементе.

На рисунке представлена конструкция регулятора соотношения давления. Он имеет корпус 1 с выполненным в нем седлом 2, которое разделяет корпус на полости А и Б. В полости А от седла 2 расположены регулирующий орган 3, пружина 4 и чувствительным элемент 5 в виде сильфонного узла. На регулирующем органе 3 и подвижном основании 6 чувствительного элемента 5 выполнены обращенные друг к другу конические поверхности, между которыми расположены шарики 7, установленные в радиальных пазах 8, выполненных на основании корпуса 9.

Внутренняя полость сильфонного узла соединена с полостью В. Давление в полости А выше, чем в полости В. При этом чувствительный элемент 5 находится в крайнем верхнем положении, а регулирующий орган 3 усилием пружины 4 прижат к седлу 2. В случае выравнивания давлений в полостях А,В чувствительный элемент 5 перемещается вниз и его подвижное основание 6 своей конической поверхностью воздействует на шарики 7. Они передают полученное усилие на регулирующий орган и, сжимая пружину 4, перемещают его вверх от седла 2. Проходное отверстие седла 2 открывается и полости А и Б сообщаются. Сечение отверстия седла 2 выбрано таким образом, чтобы практически исключить влияние давления в полости Б на срабатывание регулятора. Создание регулятора по предложенной схеме позволило упростить его конструкцию, существенно уменьшить массу и габариты.

Рисунок 12 - Общий вид регулятора соотношения давлений

В литературе отсутствуют данные по регуляторам расхода с электромагнитным приводом. Это объясняется тем, что регулирующий орган, связанный с сердечником (якорем) электромагнитного привода, в зависимости от напряжения имеет два крайних положения («открыто» или «закрыто») и не имеет промежуточных, необходимых для плавного изменения площади проходного отверстия. Особенностью регулятора расхода в системе регулирования ГКМ является и то, что при соответствии максимальной холодопроизводительности машины её нагрузке он должен быть герметичным, т.е. выполнять роль герметичного затвора. На затвор действуют усилие от пружины и усилие от давления среды. С уменьшением усилия пружины при постоянном давлении, действующем на затвор, уменьшается усилие в контакте, а соответственно и контактные напряжения. Происходит разгерметизация затвора, сопровождающаяся появлением расхода рабочей среды через седло, который при Рк=0 достигает больших значений. Величина этого расхода зависит от формы седла и его периметра. Следовательно, расход можно получить без перемещения затвора путем изменения усилия прижатия его уплотнителя к седлу. На этом принципе основан разработанный электромагнитный регулятор расхода . Он состоит из штуцера 1, в котором выполнено седло 2. Штуцер 1 кольцом 3 уплотнен относительно корпуса 4 и жестко с ним соединен. На корпусе 4 установлено катушка 5 и магнитопровод 6. Корпус 4 снабжен осевыми расточками, разделенными столом 7. В стопе 7 выполнено резьбовое отверстие, в котором установлен регулировочный винт 8.

В нижней цилиндрической расточке корпуса 4 расположен сердечник 9, который одновременно выполняет роль затвора. В центральной расточке сердечника 9 установлена пружина 10, которая прижимает его уплотнитель II к седлу 2. Отверстие седла 2 каналом 12 связано с полостью А, а полость цилиндрической расточки корпуса 4 связана с полостью Б. Полости А и Б выполнены в штуцере I. Давление к регулятору подается в полость А. Усиление пружины 10, регулируемое винтом 8, создает в уплотнителе II контактные напряжения, необходимые для герметизации поданного в полость А давления. При подаче напряжения на катушку 5 возникает электромагнитная сила, воздействующая на сердечник 9 и направленная противоположно усилию пружины 10. Усилие прижатия уплотнителя II к седлу 2 уменьшается, при определенном напряжении на катушке 5 наступает разгерметизация уплотнителя II, и рабочая среда из полости А через канал 12 и отверстие седла 2 перетекает в полость Б. С увеличением напряжения увеличивается расход среды из полости А в полость В, с уменьшением напряжения расход уменьшается. Таким образом, создана конструкция регулятора расхода без перемещения регулирующего органа и применительно к системе регулирования ГКМ отпадает необходимость в преобразователе электрического сигнала в пневматический.

Рисунок 13 - Электромагнитный регулятор расхода

Система криостатирования с электромагнитным регулятором расхода прямого хода. В авторском свидетельстве СССР №1059371, кл.F25B, 9/00 предложена оригинальная система криостатирования, содержащая ГКМ с рабочей полостью.



Рисунок 14 - Схема системы криостатирования

Система криостатирования содержит газовую криогенную машину с рабочей полостью, подключенной к буферной емкости посредством двух параллельных линий с регулирующей арматурой на каждой из них, и блок управления. Причем одна из линий снабжена обратным клапаном для прохода газа в машину, а другая выполнена в виде электромагнитного регулятора расхода прямого хода, подключенного к блоку управления.

Регулятор работает следующим образом рисунок.

Рисунок 15 Схема электромагнитного регулятора расхода прямого хода

Рабочая среда поступает во входной патрубок и перекрывается затвором 15 под действием герметизирующего усилия, представляющего собой разность усилия пружины и усилия от давления рабочей среды на некомпенсированную площадь от затвора 15. При подаче напряжения на катушку 16 возникает магнитный поток, взаимодействующий с якорем 14. Сила взаимодействия растет с увеличением силы тока и при определенном напряжении достигает значения герметизирующего усилия на затворе 15. При этом рабочая среда начинает перетекать в выходной патрубок. Размеры насыщенного ферромагнитного шунта в воротничка 19 подобраны таким образом, что при рабочем зазоре, соизмеримом с высотой шунта, электромагнит имеет почти горизонтальную тяговую характеристику на относительно большом участке по ходу якоря 14. а следовательно, определенный зазор между затвором 15 и седлом 12 и расход рабочей среды.

С увеличением напряжения расход возрастает, при уменьшении - падает. Колебания температуры эксплуатации, например, от -60 до +800С изменяют напряжение, при котором тяговое усилие электромагнита соответствует герметизирующему усилию затвора 15, что приводит к сдвигу расходной характеристики по напряжению.

Автоматическое регулирование температуры криостатирования системы основано на изменении количества рабочего тела в рабочей полости 2 машины 1. Равновесное состояние системы при установившейся температуре криостатирования соответствует определенному напряжению на катушке 16 регулятора 7, при котором отбор рабочего тела из рабочей полости 2 машины 1 по линии 5 в буферную емкость 3 равен его притоку по линии 4 через дроссель 6 и обратный клапан 9.

Напряжение на катушку 16 регулятора 7 поступает от датчике 10, температуры через блох 8 управления. При уменьшении температуры криостатирования напряжение на катушке 16 регулятора 7 повышается, что сопровождается повышением расхода рабочего тела через линию 5. Следовательно, отбор рабочего тела из рабочей полости 2 машины 1 превышает его приток по линии 4. Количество рабочего тела в рабочей полости 2 машины уменьшается, что способствует повышению температуры криостатирования. При повышении температуры от заданной уменьшается напряжение на катушке 16 регулятора 7, который перекрывает поток рабочего тела и прекращает его поступление по линии 5 в буферную емкость 3, тогда как по линии 4 происходит подпитка рабочей полости 2 машины. Количество рабочего тела в последней увеличивается, а температура криостатирования понижается.

Выполнение зaпорно-регулирующей арматуры в виде электромагнитного регулятора расхода пряного хода в виде дросселя позволяет упростить схему регулирования и систему криостатирования в целом. Кроме того, отпадает необходимость в преобразователе электрического сигнала в пневматический.

Такое выполнение конструкции системы криостатирования охлаждаемого объекта в сравнении с базовым объектом, которым является система криостатирования на базе ГКМ ХМ-25, позволяет упростить конструкцию системы, уменьшить время выхода на заданный уровень криостатирования на (20…28%), а также увеличить ресурс системы криостатирования на (20...25%).

6.2 Способы регулирования холодопроизводительности миниатюрных газовых криогенных машин

МикроГКМ используются в основном для двух целей.

1. Для конденсации небольших количеств газов или паров. В этом случае задача системы автоматизации состоит в обеспечении безаварийной работы машины при максимальной холодопроизводительности.

2. Для охлаждения и криостатирования объектов с малым тепловыделением. Изменение тепловой нагрузки на машину может происходить как вследствие изменения количества тепла, выделяемого объектом, так и из-за изменения температуры окружающей среды. В этом случае САР должна обеспечить не только безаварийную работу ГКМ, но и осуществлять автоматическое регулирование холодопроизводительности.

Рассмотрим наиболее распространённые способы регулирования холодопроизводительности микроГКМ.

Изменение кисла циклов в единицу времени.

Большая часть электродвигателей привода ГКМ питается от источников постоянного тока напряжением 2В. Для изменения числа оборотов вала электродвигателя можно в цепь его питания вводить регулируемые компенсирующие резисторы (реостаты). Для осуществления такой схемы регулирования необходимо вводить дополнительные устройства, а также электрические или пневматические исполнительные механизмы для изменения сопротивления. Всё это усложняет конструкцию, увеличивает габариты, массу и энергоемкость, снижает экономичность и создаёт дополнительные вибрации и вращающие моменты. Поэтому этот способ выгодно использовать в тех случаях, когда регулирование осуществляется с участием человека.

Более перспективным является метод широтно-импульсной модуляции. Однако и у этого метода есть ряд недостатков, ограничивающих его применение. В частности, при использовании последнего метода в сети, от которой питается двигатель, возникают пульсации, которые могут оказать отрицательное влияние на работу других систем.

Основной недостаток этого метода в целом - это большая величина

Времени регулирования, что может приводить к значительному отклонению температуры от заданного значения.

Изменение среднего давления в цикле

Для реализации данного метода система охлаждения должна быть оснащена следующими устройствами,

- датчик температуры с измерительным преобразователем и системой управления;

- ёмкость, в которой поддерживается давление около среднего в цикле;

- минимальный и максимальный обратные клапаны;

- два мембранных или соленоидных клапана.

При понижении температуры объекта ниже заданного значения управляющее устройство открывает мембранный (соленоидный) клапан и газ через максимальный обратный клапан небольшими порциями перепускается из рабочей полости ГКМ в дополнительную ёмкость со средним давлением. Холодопроизводительность машины при этом понижается, а температура возрастает. Достоинствами этого метода является экономичность работы ГКМ и довольно высокая точность регулирования температуры при наличии устройств, предотвращающих возможное перерегулирование из-за инерционности объекта регулирования. Ограничивает применение этого метода сложность управляющего устройства, а также большие габариты и масса вспомогательных устройств.

Изменение степени сжатия в машине присоединением дополнительного мёртвого пространства.

В этом случае к компрессорной полости ГКМ плавно или позиционно присоединяется дополнительный мёртвый объём. Холодопроизводительность машины при этом снижается, а температура теплообменника нагрузки растет. Ступенчатое присоединение можно реализовать с помощью простого позиционного регулятора, однако он не обеспечивает высокой точности регулирования. Повысить точность можно, используя плавное изменение мёртвого объёма, но это приведёт к существенному усложнения системы регулирования и увеличению габаритов и массы МКС. Термодинамический к.п.д. при этом существенно не изменяется.

Изменение угла сдвига фаз между изменениями объемов
полостей расширения и сжатия.

Для этого необходимо вводить дополнительные элементы в механизм привода поршней и без того достаточно сложный. Сложна и громоздка система управления. Кроме того, при отклонении угла сдвига фаз от оптимального снижается к.п.д. машины. Перечисленные недостатки в значительной степени ограничивают применение рассмотренных способов автоматического регулирования холодопроизводительности ГКМ. Поэтому наибольшее распространение в настоящее время полупил метод тепловой компенсирующей нагрузки.

Метод тепловой компенсации избытка холодопроизводительности.

Техническим заданием на изготовление ГКМ предусматривается определённый срок безотказной работы машины без ремонтных и профилактических работ (моторесурс). Он обычно определяется в несколько тысяч часов. Быстрее всего в существующих машинах изнашиваются бессмазочные уплотнения компрессорного поршня и вытеснителя. Их износ приводит к увеличению утечек и перетечек гелия между полостями, что снижает полезную холодопроизводительность ГКМ. для того, чтобы машина обеспечивала заданную холодопроизводительность в конце межремонтного периода, машины проектируются и изготавливаются на заведомо большую холодопроизводительность. Из-за этого снижается термодинамическая эффективность и ухудшаются массогабаритные характеристики ГКМ. Кроме этого, необходимо предусматривать автоматические быстродействующие устройства, позволяющие компенсировать избыток холодопроизводительности и с высокой точностью поддерживать заданную температуру криостатирования объекта. Рассмотренные выше методы по различным причинам не удовлетворяли требованиям производства и эксплуатации. Вследствие этого было предложено установить на теплообменнике нагрузки нагреватель, выделяемую им мощность регулировать с помощью малогабаритных электронных устройств, в зависимости от изменения температуры. Для определения динамических свойств ГКМ, как теплового объекта регулирования с целью правильного подбора регулятора в лаборатории автоматизации НПО МКТ были проведены экспериментальные исследования микроохладителя.

Передаточная функция микроохладителя.

ГКМ исследовалась с помощью частотных методов, основанных на экспериментальном определении частотных характеристик.

Структурная схема системы регулирования представлена на рисунке 18. Она включает в себя нагреватель, микроохладитель, измерительный мост, а также устройства, обеспечивающие подачу на вход электрического синусоидального сигнала и индикацию выходного сигнала.

Рисунок 16 - Структурная схема системы регулирования.

На входе наблюдались колебания той же частоты, но сдвинутые относительно входных на угол

В результате обработки осциллограмм были построены амплитудная и фазовая частотные характеристики, анализ которых позволил определить запаздывание и передаточную функцию системы.

где К - коэффициент передачи системы; Т - постоянная времени объекта;

- оператор дифференцирования.

Из структурной схемы на рисунке 18 имеем

где - коэффициенты передачи нагревателя, объекта и моста. После подстановки числовых значений, полученных по результатам эксперимента, имеем

С учетом найденных значений постоянного запаздывания и коэффициента передачи передаточная функция микроохладителя будет иметь вид

После подстановки числовых значений получим

На основании свойств объекта регулирования, условий его работы и требуемой точности регулирования был разработан электронный пропорционально-интегральный регулятор непрерывного действия. Он был сформирован в виде блока контроля и регулирования температуры.

3.3 Автоматическая стабилизация температуры ГКМ изменением числа оборотов электродвигателя.

Датчиком температуры служит платиновый термометр сопротивления, расположенный в зоне охлаждения. Датчик температуры включен в одно из плед измерительного моста последовательно с переменным резистором РЗ ("баланс моста") (рисунке 19), служащим для балансировки моста.

К одной диагонали моста подключен выход мультивибратора, а к другой -входной транзистор УНЧ. При отклонении температуры от заданной в измерительной диагонали моста возникает напряжение, пропорциональное величине отклонения. Сигнал разбаланса усиливается четырёхкаскадным усилителем низкой частоты. Усиленный сигнал подаётся на одну диагональ демодулятора, собранного по кольцевой схеме на четырёх диодах, во вторую диагональ подаётся опорное напряжение с того же мультивибратора, с которого подаётся напряжение на измерительный мост. В результате на выходе демодулятора мы имеем постоянное напряжение. величина которого зависит от амплитуды выходного сигнала УНЧ, а следовательно, от величины разбаланса измерительного моста. Полярность сигнала зависит от фазы выходного сигнала УНЧ. Постоянное напряжение с выходе, демодулятора подаётся на вход управляемого мультивибратора, который вырабатывает импульсы, длительность которых зависит от величины управляемого напряжения. Причём, период мультивибратора остаётся постоянным, а изменяется только соотношение

t1/t2

где t1 -длительность импульса, снимаемого с коллектора другого транзистора, причём t1+t2=const. Применение в данном мультивибраторе составных транзисторов в цепи перезарядки конденсаторов позволило изменять в пределах 0,1…0,94

Импульсы определённой длительности, снимаемые с выхода мультивибратора, подаются на вход импульсного усилителя, работающего в классе "Д" ("ключевой режим"). Усилители, работающие в этом режиме, отличаются высоким к.п.д., доходящим до 90%.

Выходной каскад усилителя собран на трёх мощных транзисторах ГТ804А, включенных параллельно, что позволило обеспечить рабочий ток выходного каскада равным 20А при напряжении питания, равном 27 В.



Рисунок 17 - "Баланс моста"

Это дало возможность получить на выходе мощность порядка 500...600 Вт.

Для регулирования числа оборотов электродвигателя постоянного тока выбран метод широтно-импульсной модуляции. Этот метод заключается в том, что электродвигатель подключается х источнику питания не постоянно, а с некоторой частотой (обычно f = 0,3…2кГц). Длительность подключения электродвигателя к источнику питании в течение одного периода и определяет число оборотов электродвигателя.

В момент подключения ток, идущий через электродвигатель, возрастает, а в момент отключения он уменьшается и поддерживается за счёт самоиндукции якоря, в результате через электродвигатель тенёт непрерывный ток переменной амплитуды. Средняя величина тока будет зависеть от длительности подключения электродвигателя, а значит, мощность, подводимая к электродвигателю, зависит от длительности подключения. Это соответствует смещению характеристики электродвигателя влево, а, следовательно, уменьшению числа оборотов при той же нагрузке.

Работа системы в автоматическом режиме.

При увеличении температуры в зоне охлаждения сигнал разбаланса моста усиливается УНЧ и подаётся на демодулятор. На выходе демодулятора получаем сигнал, который пропорционален увеличению температуры. Этот сигнал, поданный на вход управляемого мультивибратора, вызывает увеличение длительности импульса на его выходе, а увеличение длительности импульса на входе импульсного усилителя вызывает увеличение длительности открытого состояния силовых транзисторов, в коллекторную цепь которых включен якорь управляемого электродвигателя, т.е. более длительное подключение электродвигателя к истопнику питания. Это вызывает увеличение числа оборотов электродвигателя, а, следовательно, и холодопроизводительности газовой холодильной машины. Это вызывает понижение температуры.

При понижении температуры в зоне охлаждения число оборотов электродвигателя уменьшается.

Заключение

В данной бакалаврской работе была спроектирована газовая холодильная машина для охлаждения газового конденсата. В результате проделанного проекта были выполнены следующие разделы:

Первый раздел, содержит технико-экономическое обоснование.

Во втором разделе, был проведен термодинамический расчет газовой холодильной машины по методике Шмидта. Так же в этот раздел входит тепловой расчет регенератора, расчет холодильника, расчет теплообменника нагрузки.

Раздел третий, в котором представлена электрическая схема и описана функциональная схема работы компрессора с обвязкой КИПиА.

Применение ГХМ для охлаждения газового конденсата является актуальной темой. Это можно обосновать следующими факторами, во время перекачки газоконденсата через магистраль, часть компонента не доходит до потребителя в связи с нагреванием поэтому, чтобы не расходовать газоконденсат применяют данную установку.

Список литературы

1. Гороховский, Г.А. Газовые криогенные машины - Омск: Изд - во ОмПИ, 1980. - 70 с.

2. Суслов, А.Д Криогенные газовые машины /А.Д. Суслов и др./ - М.: Машиностроение, 1982. - 213 с.

3. Усюкин, И.П. Установки, машины и аппараты криогенной техники - М.: Лёгкая и пищевая промышленность, 1982. - 296 с.

4. Григорьев, В.А. Тепло- и массообменные аппараты криогенной техники В.А. Григорьев, Ю.И. Крохин/ - М.: Энергоиздат, 1982. - 312 с.

Размещено на Allbest.ur

...