Устройство быстрого охлаждения

 

Изобретение относится к холодильной технике и может быть использовано в системах быстрого охлаждения. Цель изобретения - повышение надежности устройства. Устройство содержит контур циркуляции жидкого промежуточного хладагента, в котором установлен насос, охлаждаемый объект и промежуточный теплообменник с клапаном, установленным в верхней части промежуточного теплообменника, первый датчик температуры, установленный во входном трубопроводе и соединенный с первым входом первого сумматора, выход которого соединен с первым входом первого ограничителя и первым входом второго ограничителя, интегратор, первый вход которого соединен с выходом первого ограничителя, а выход с вторым входом первого ограничителя, дифференциальный усилитель, первый вход которого соединен с выходом второго ограничителя, а выход с вторым входом второго ограничителя, второй датчик температуры, установленный в выходном трубопроводе и соединенный с первым входом второго сумматора, выход которого соединен с вторым входом интегратора и вторым входом дифференциального усилителя. При этом к второму входу первого сумматора и к второму входу второго сумматора подключен третий сумматор, первый вход которого соединен с выходом интегратора, второй вход соединен с выходом дифференциального усилителя, а выход с исполнительным механизмом. Высокая надежность обеспечивается тем, что в схеме регулирования используются интегратор и дифференциальный усилитель с ограничением выходных сигналов, причем уровень ограничения определяется температурой промежуточного хладагента на входе промежуточного теплообменника. В любой момент времени количество азота, подаваемое в него, не позволяет переохладить промежуточный хладагент. 3 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АBTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

«îu

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР (21) 4314515/31-13 (22) 08.10.87 (46) 07.07.90. Бюл. № 25 (71) Специальное конструкторско-технологическое бюро с опытным произволством Института проблем криобиологии и криомеди цины АН УССР

:(72) А. Л. Вайсман и С. И. Ткаченко (53) 621.563.3 (088.8) (56) Патент США № 4164127, кл. F 25 D 17/02, 1979. (54) УСТРО1 1СТВО БЫСТРОГО ОХЛАЖДЕНИЯ (57) Изобретение относится к холодильной технике и может быть использовано в системах быстрого охлажления. Цель изобретения — повышение надежности устройства.

Устройство содержит контур циркуляции жидкого промежуточного хладагента, в котором установлен насос, охлаждаемый.обьект и промежуточный теплообменник с клапаном, установленным в верхней части промежуточного теплообменника, первый датчик .температуры, установленный во входном трубопроводе и соединенный с первым входом первого сумматора, выход которого соединен с первым входом первого ограничителя и первым входом второго ограничителя, Изобретение относится к холодильной технике и может быть использовано в системах быстрого охлаждения. Цель изобретения — повышение надежности устройства.

На фиг. I изображена функциональная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2— схема интегратора и ограничителя; на фиг. 3 — диаграммы, поясняющие работу уст йства.

Г стройство содержит промежуточный теплообменник 1, имеющий в верхней части клапан 2 и соединенный вхолным трубопроводом 3 с насосом 4, который соединен

„„SU„„1576811 А 1 (5I)5 F 25 D 17 02

2 интегратор, первый вход которого соелннен с выходом первого ограничителя, а выход— с вторым входом первого ограничителя, дифференциальный усилитель, первый вход которого соединен с выхолом второго ограничителя, а выход с вторым входом второго ограничителя, второй датчик температуры„ установленный в . выходном трубопроволе и соединенный с первым входом второго сумматора, выход которого соелинсн с вторым входом интегратора и вторым входом лифференциального усилителя. ГIри этом к второму входу первого сумматора и к второму входу второго сумматора подключен третий сумматор, первый вход которого соединен с выходом интегратора, второй-вход соединен с выходом дифференциального усилителя, а выход с исполнительным механизмом.

Высокая надежность обеспечивается тем, что в схеме регулирования используются интегратор и диффсренциальнь(й . усилитель с ограничением выходных сигналов, причем уровень ограничения определяется температурой промежуточного хладагента на входе промежуточного теплообменника, в любой момент времени количество азота, подаваемое в него, не позволяет переохладить промежуточныи хладагент. 3 ил. трубопроводом 5 с охла жлаемым обьектом 6, соединенным выхолным трубопроводом 7 с промежуточным теплообменником 1. Во входном трубопроводе 3 установлен гервый датчик 8 температуры, соединенный с первым входом первого сумматора 9, выход которого соединен с первым входом первого ограничителя 10 и первым входом второго ограничителя 11, выхол первого., ограничителя 10 соединен с и(рным Bxojlом и нтегратора 12, вы хол кото рого соединен

BTOpbIM BX0Q(3M й(р во(о о г1 а ни IHTCJl8 f 0 и первым входом TIl(Ih(го сумматора 13, второй датчик 14 температуры подключен, 1576811

U2= Kу GAT3 (2) к первому входу второго сумматора 15, выход которого соединен с вторым входом интегратора 12 и вторым входом дифференциального усилителя 16, первый вход которого соединен с выходом второго ограничителя 11, второй вход которого соединен с выходом дифференциального усилителя

16 и вторым входом третьего сумматора

13, выход которого соединен с исполнительным механизмом 17, который соединен входной линией 18 подачи жидкого азота с системой снабжения жидким азотом (не показано) и выходной линией 19 с форсунками 20, размещенными в нижней части промежуточного теплообменника 1. Кроме того, на фиг. 1 обозначены жидкий промежуточный хладагент 21 и газообразный азот 22.

Интегратор 12 содержит операционный усилитель 23, прямой вход которого заземлен, а инверсный вход через резистор Ri соединен. с выходом второго сумматора 15 и через резистор R с выходом ограничителя 10, которым является выход аналогового ключа 24. Между выходом операционного усилителя 23 и его выходом включен интегрирующий конденсатор С. Выход дифференциального усилителя 16 соединен с вторым входом первого ограничителя 10, которым является первый вход дифференциального усилителя 25, второй вход которого является первым входом первого ограничителя 10. Выход дифференциального усилителя 25 соединен с аналоговым входом аналогового ключа 24 и входом нуль-ком паратора 26, выход которого соединен с входом управления аналогового ключа 24.

Устройство работает следующим образом.

Промежуточный хладагент 21, находящийся в объекте 6 охлаждения, насосом 4 перекачивается по трубопроводу 5 и входному трубопроводу 3 в промежуточный теплообменник 1.

Обьектом б охлаждения может быть закрытый радиатор для охлаждения помешения или емкость, заполненная промежуточным хладагентом 21, в которую могут помещаться охлаждаемые предметы и др.

В промежуточный теплообменник 1 по входной линии 18 через исполнительный механизм 17, регулирующий расход азота, и выходной линии 19 поступает жидкий азот от системы снабжения хладагентом. В промежуточном теплообменнике 1, через форсунки 20 жидкий азот барботируется в промежуточный хладагент 21, осуществляя интенсивный отбор тепла от него. Газообразный азот 22 скапливается в верхней части промежуточного теплообменника 1 и при достижении определенного давления выпускается через клапан 2 в атмосферу. Под действием давления газообразного азота 22 промежуточный хладагент 21 из промежуточного теплообменника 1 по выходному трубопроводу 7 поступает обратно в объект

6 охлаждения. Величина давления задается регулировкой клапана 2.

С второго датчика 14 температуры сигнал, пропорциональный температуре промежуточного хладагента Т .. на выходе промежуточного теплообменника 1, поступает на первый вход второго сумматора 15, на второй вход которого поступает сигнал, пропорциональный заданной температуре Тз.

Температура Тз должна быть не ниже температуры замерзания промежуточного хладагента (например, для воды 0 С, для водного раствора МаС4 — 23 С, для водного раствора СаС4 — 53 С) .

Одновременно с первого датчика. 8 температуры, сигнал пропорциональный температуре Т- на входе промежуточного теплообменника 1, поступает на первый вход первого сумматора 9, на второй вход которого поступает сигнал, пропорциональный заданной температуре. Разностный сигнал, пропорциональный Т" — Тз (фиг. 36), с выхода первого сумматора 9 поступает на первый вход первого ограничителя 10 и первый вход второго ограничителя 11, определяя уровень ограничения сигналов U, U> соответственно на выходах интегратора 12 и дифференциального усилителя 16.

При фиксированной температуре Тз (например, близкой к температуре замерзания) уровень ограничения U, определяется температурой Т" хладагента на входе промежуточного теплообменника 1. Таким образом, чем ниже температура Т-. тем ниже уровень ограничения U, сигналов на выходах интегратора 12 и дифференциального усилителя 16.

Разностный сигнал, пропорциональный

Т вЂ” Т (фиг. За), с выхода второго сумматора 15 поступает на второй вход интегратора 12 и второй вход дифференциального усилителя 16 и усиливается им в Ку раз. Сигналы с датчиков температуры и заданный температуре в виде напряжения имеют соответственно величину GT--, GT- ., 6Тз, где 6 — коэффициент преобразования, В/град.

Однако сигнал U íà его выходе при любом уровне на его входе не может превысить уровень ограничения. Коэффициент усиления Ку, дифференциального усилителя 16 выбирается так, что при заданной погрешности AT>=T> — Т сигнал должен быть равен сигналу ограничения

U„- при максимально высокой температуре

Т- на выходе промежуточного теплообменника 1.

Таким образом где А — безразмерный коэффициент, который определяется экспериментально для наиболее неблаго1576811

tT T,„i)WT IT3 — Т «l

При этом

)Тз — T.. М,С, (М (}Тз — Т M

К ZK

Таким образом, с момента времени t, начинает понижаться температура Т. со скоростью, определяемой инерционностью процесса теплообмена. Считают, что Т- при этом не изменяется) . Одновременно начи50 приятных условий (ЬТз при

Т- — максимальная);

Тв«.о — температура промежуточного хлада гента на входе промежуточного теплообменника 1 в начальный момент времени t,.

Из (1) и (2) следует, что

Тз — Т-.

К„= — A. з

Поскольку в момент времени t, (Тз — Т ) 10 во много раз больше АТз, то сигнал Уз на выходе дифференциального усилителя 16 равен U,ы"с (фиг. Зг) . Сигнал Уз поступает на второй вход третьего сумматора 13.

Одновременно на первый вход третьего сумматора 13 поступает сигнал U (фиг. Зв), определяемый соотношением (Тз — Т-) .Ж .

К где т — постоянная времени интегратора.

В начальный момент времени t„ Ui=O и сигнал Уз на выходе третьего сумматора 15, управляющий работой исполнительного механизма 17, равен U3 — — U, Количество азота М, (фиг. Зе), поступающего в промежуточный теплообменник 1 за 25 единицу времени через исполнительный механизм 17, определяется соотношением

M =a(U >+ U,), где а — коэффициент, равный количеству З0 азота на единицу сигнала управления.

Из соотношений следует, что количество азота, необходимое для охлаждения промежуточного хладагента от температуры Тдо температуры Тз, равно 35 м.= м. c., Тз — Т «

К где М. — масса воды, протекающая через промежуточный теплообменник 1;

Св — теплое м кость воды;

К вЂ” количество тепловой энергии, отбираемой единицей массы азота при нагревании его до температуры

Твых.

Коэффициент а выбирается так, что при сигнале управления U>=U, происходит охлаждение промежуточного хладагента на температуру ЬТ,, определяемую неравенством нает увеличиваться сигнал U (фиг. Зв) на выходе интегратора 12, и, как следствие, сигнал Уз (фиг. Зд) управления и расход азота М, (фиг. 3e).

К моменту времени ti (Тз — Т ) становится равным ХТз и дифференциальный усилитель 16 выходит из режима ограничения. .При этом продолжает увеличиваться сигнал

U на выходе интегратора 12. К моменту времени t3 поступает ограничение сигнала

U и устанавливается некоторый сигнал

Уз на выходе дифференциального усилителя

16. Постоянная времени т интегратора выбирается больше времени инерционности теплообмена.

Если в момент времени t3 температура

Т.» уменьшается (фиг. Зб), то уменьшаются и сигнал ограничения U„a следовательно, и сигналы U>, Uq, (7з н расход М, (соответственно фиг. Зв,г,д,е).

Если в момент времени /„ происходит случайное понижение температуры Т . меньше Тз, сигнал U2 на выходе дифференциального усилителя 16 изменяет свой знак (фиг. 3r) и, как следствие, сразу же изменяется сигнал U3 управления (фиг. Зд) и соответственно расход азота М, (фиг. Зе), что предотвращает возможность замерзания промежуточного хладагента.

Схема ограничителя IO, стоящего в цепи обратной связи интегратора 12 (фиг. 2), работает следующим образом. Сигнал, пропорциональный (Тз — Т ), в виде напряжения с выхода второго сумматора 15 преобразуется в ток резистором Ri, который заряжает конденсатор С, при этом растет напряжение U на выходе интегратора 12.

Это напряжение поступает на первый вход дифференциального усилителя 25. В это время на второй его вход поступает опорный сигнал (Тз — Т-), при этом на его выходе полярность сигнала такова, что нуль-компаратор 26 закрывает аналоговый ключ 24, запрещая прохождение через него сигнала на резистор Рз. В момент превышения напряжения Ui опорного сигнала (T3 — Т-) на выходе дифференциального усилителя 25 появляется сигнал рассогласования, полярность которого такова, что нуль-компаратор

26 включает аналоговый ключ 24 и сигнал с выхода дифференциального усилителя 25 поступает через резистор Яз на инверсный вход операционного усилителя 23, компенсируя входной ток поступающий через резистор R . Таким образом, стабилизируется сигнал U> на уровне опорного (Тз — Т-).

При этом прекращается заряд конденсатора С.

Устройство обладает высокой надежностью и позволяет производить быстрое охлаждение объектов (например, в моменты пиковых теплопритоков) за счет использования жидкого азота, при этом происходит разделение газообразного азота и промежуточного хладагента вне объекта охлаждения.

1576811

Высокая надежность обеспечивается тем, что и схеме регулирования используются интегратор и дифференциальный усилитель с ограничением выходных сигналов, причем уровень ограничения определяется температурой промежуточного хладагента на входе промежуточного теплообменника и, как следствие, в любой момент времени количество азота, подаваемое в него, не позволяет переохладить промежуточный хладагент. 10

Формула изобретения

Устройство быстрого охлаждения, содержащее контур циркуляции жидкого промежуточного хладагента„выполненный в виде замкнутой системы трубопроводов, в котором установлены насос, охлаждаемый объект и промежуточный теплообменник, соединенный с линией подачи жидкого хладагента, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности устройства в него дополнитель- 20 но введены клапан, установленный в верхней части промежуточного теплообменннка, и последовательно соединенные первый датчик температуры, установленный на входе промежуточного теплообменника, первый сумматор, первый ограничитель, интегратор, выход которого соединен с вторым входом первого ограничителя, и последовательно соединенные второй датчик температуры, установленный на выходе промежуточного теплообменника, второй сумматор, -дифференциальный усилитель и второй ограничитель, выход которого соединен с вторым входом дифференциального усилителя, а также последовательно соединенные третий сумматор и исполнительный механизм, установленный на линии подачи жидкого хладагента, при этом первый вход третьего сумматора подключен к выходу интегратора,. а второй вход — к выходу дифференциального усилителя, второи Вход Второго сумматора соединен с вторым входом первого сумматора, выход которого подключен ко второму входу второго ограничителя, а выход второго сумматора к второму входу интегратора.

1576811

15 Ъх

Тю — Тф

1 (1 ——

ter и, tt tg tg М„ Ьг 3

Составитель В. Новиков

Редактор М. Бланар Техред А. Кравчук Корректор Э. Лончакова

Заказ 1842 Тираж 45! Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж вЂ” 35, Раушская наб., д. 4, 5

Производственно-издательский комбинат «Патент», г Ужгород, ул. Гагарина, 101