Регулятор с использованием тепловой энергии

Регулятор с использованием тепловой энергии

Иллюстрации

Показать все

Реферат

 

Изобретение относится к автоматическому регулированию., может использоваться -в теплоэнергетике и является дополнительный к авт. св. №1619228. Цель изобретения - повышение быстродействия регулятора. Регулятор содержит исполнительный механизм, связанный через гибкий шток с звеном обратной связи, включающим дополнительные оппозитно расположенные сильфоны, подвижные торцы которых связаны со штоком, а полости - с теплоизолированными газовыми камерами, одни из торцов которых выполнены В виде набора теплопроводных прокладок, связанных через первый дополнительный кондуктор с теплопроводной плитой, связанной через второй дополнительный кондуктор с тепловой шиной. Кондуктор соединен через рейку с ведомым зубчатым колесом механизма преобразования вращательного движения в линейное, ведущее зубчатое колесо которого связано через выходную рейку с регулирующим органом. 1 з.п.ф-лы, 2 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

f ОСУДАР СТВ Е ННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (61) 1619228 (21) 4687150/24 (22) 05.05.89 (46) 07.02.92. Бюл, М 5 (71) Киевский политехнический институт им,50-летия Великой Октябрьской социалистической революции (72) В.А.Ерошенко и А, B. Бовдилова (53) 621.555.6(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

М 941961, кл. G 05 0 23/19, 1982.

Авторское свидетельство СССР

М 1619228, кл. G 05 В 11/00, 1989. (54) РЕГУЛЯТОР С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ .ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ (57) Изобретение относится к автоматическому регулированию, может использоваться .в теплоэнергетике и является .дополнительный к авт. св. гЬ 1619228.

Изобретение о носится к автоматическому регулированию, может использоваться в теплоэнергетике и является усовершенствованием изобретения по авт.св. М 1619228.

Цель изобретения — повышение быстродействия регулятора.

На фиг.1 показан исполнительный механизм предлагаемого регулятора; на фиг.2— конструкция и кинематическая схема регулятора.

Регулятор содержит исполнительный механизм (фиг.1), включающий стержень 1 с теплоизоляцией 2 боковой поверхности, кроме торца 3. Стержень 1 связан с источ-. ником тепловой энергии через тепловую шину 4. Цилиндрическая камера 5, закрепленная на основании 6 и выполненная как одно целое с ребрами 7 охлаждения, нижним основанием связана с сильфоном 8. Цилиндрическая камера 5 с сильфоном 8 частично заполнены жидкостью 9.

„„Я2„„1711115 А2 (si>s G 05 В 11/00, G 05 0 23/ 00

Цель изобретения — повышение быстродействия регулятора. Регулятор содержит исполнительный механизм, связанный через гибкий шток с звеном обратной связи, включающим дополнительные оппозитно расположенные сильфоны, подвижные торцы которых связаны со штоком, а полости — с теплоизолированными газовыми камерами, одни из торцов которых выполнены в виде набора теплопроводных прокладок, связанных через первый дополнительный кондуктор с теплопроводной плитой, связанной через второй дополнительный кондуктор с тепловой шиной. Кондуктор соединен через рейку с ведомым зубчатым колесом механизма преобразования вращательного движения в линейное, ведущее зубчатое колесо которого связано через выходную рейку с регулирующим органом. 1 з,п.ф-лы, 2 ил.

В обьеме цилиндрической камеры 5 над жидкостью 9 находится объем 10 паровоздушной смеси. Вертикальное положение стержня 1 в цилиндрической камере 5 фиксируется с помощью муфты 11 и упорного винта 12. Внутри корпуса 13, выполненного как продолжение нижних ребер 7 охлаждения, размещен, кроме сильфона 8, рабочий элемент, выполненный в виде гибкого штока 15.

Внутри цилиндрической камеры 5 к нижнему основанию сильфона 8 прикреплена вставка 15(припаяна, приклеена) с посто- янным объемом, В нижнюю часть корпуса 13 ввернута гайка 16. Между гайкой 16 и сильфоном 8 размещена пружина 17.

Регулятор (фиг.2) содержит входную и выходную части, а также звено отрицательной обратной связи. Входная часть регулятора состоит иэ измерителя 18 регулируемой величины Хь связанного с регупятором через теплоизолированный стержень 19, на конце которого закреплен кондуктор 20 элемента сравнения, Задатчик, элемент сравнения и усилитель содержат две одинаковые и прилегающие одна к дру- 5 гой замкнутые газовые полости 21 и 22 в виде параллелепипедов, боковая поверхность которых покрыта теплоиэоляцией 23.

Газовые полости 21 и 22 с левой сторо1 ! ны кон актируют с тепловой шиной 24 через 10 кондуктор 20, а с правой стороны они теплоизолированы и находятся в скользящем контакте с теплоиэолирующим покрытием

25 на сторонах шины 24, Газовые полости 21 и 22 закреплены на 15 вертикальной платформе 26. Последняя снабжена указателем 27 задания регулируемой величины Х д и шкалой 28. Тепловая шина 24 закреплена на опорном элементе корпуса регулятора 29.

Газовые полости 21 и 22 через гибкие газовые каналы 30 и 31 связаны с исполнительными сильфонами 32 и 33, закрепленными на опорных элементах корпуса регулятора 34 и 35.

Выходная часть регулятора состоит из исполнительного механизма, связанного через гибкий шток 14 с преобразователем возвратно-поступательного движения во вращательное, который содержит собачку

36 на гибком штоке 14, храповые колеса 37 и 38, ведущие шестерни 39 и 40, ведомую шестерню 41 и валы 42-44 вращения, Выходной вал 44 вращения связан с преобразователем вращательного движения в линейное, включающим ведущее зубчатое колесо 45 и подпятник 46 за колесом 45 на валу 44 вращения. На выступе последнего после подпятника 46 закреплена поворотная серьга 47. Противоположный конец серьги 47 содержит отверстие с осью 48 ведомого зубчатого колеса 49, Ведущее 45 и ведомое 49 зубчатые колеса содержат соответственно ведущий 50 и ведомый 5 1 шкивы, связанные гибкой передачей 52.

Ведомое зубчатое колесо 49 входит в зацепление с рейкой 53. Ведущее зубчатое колесо 45 через выходную рейку 54 связано с регулирующим органом 55 в трубопроводе 56.

Звено отрицательной образиной связи содержит замкнутую полость, разделенную теппоизолятором 57 на две одинаковые теплоизолированные газовые камеры 58 и 59, включенные по дифференциальной схеме с полостями двух дополнительных оппозитно расположенных сильфонов 60 и 61 через гибкие газовые каналы 62 и 63, Подвижные торцы сильфонов 60 и 61 связаны со штоком 14.

Одни иэ торцов камер 58 и 59 выполнены в виде набора теплопроводных прокладок 64 и 65, причем наружные прокладки контактируют с первым дополнительным кондуктором 66 отрицательной обратной связи, который содержит теплопроводную пластину, заключенную между теплоизоляционными пластинами 67. С правой стороны кондуктор 66 контактирует с теплопроводной плитой 68, связанной с тепловой шиной 69 через второй дополнительный кондуктор 70, Кондуктор 66 связан с рейкой 53 обратной связи с помощью упорного винта 71.:

Кондуктор 70 содержит указатель 72 шкалы

73 с отметками значений коэффициента усиления регулятора Кр. Свободные поверхности плиты 68 и шины 69 теплоизолированы теплоизоляцией 74 и 75. Камеры 58 и 59, плита 68 и шина 69 закреплены на опорных элементах 76 и 77.

Нагрев соответствующих тепломеханических элементов в регуляторе осуществляется с помощью подводимых по шинам тепловых потоков qo, охлаждение тех же элементов — через тепловой контакт с окружающей средой (холодильник), Регулятор работает следующим образом.

С помощью муфты 11, упорного винта

12, а также пружины 17 и вставки 15устанавливают требуемую величину заглубления h стержня 1 в жидкости 9, Тем самым задают требуемую частоту возвратно-поступательных движений гибкого штока 14, т.е. заданное быстродействие исполнительного механизма, Тепло, полученное стержнем 1 от источника тепловой энергии, через тепловую шину 4 идет на увеличение теплосодержания стержня 1 и передачу тепла через торец 3 к жидкости 9. Эффективный прогрев жидкости 9 в районе торца 3 приводит.к ее испарению и нагреву объема 10. В результате этого давления объема 10 над жидкостью 9 увеличивается, и под его воздействием уровень жидкости 9 начинает уходить вниз, удапяясь от торца 3. Благодаря этому растягивается сильфон 8, совершая перемещение ЛУ, Вместе с торцом сильфона 8 движется вниз и гибкий шток 14. При этом пружина 17 сжимается, так как коэффициент теплопроводности пара мал, то молекулы пара эффективно нагреваются лишь у сечения торца 3. Вследствие этого у основной массы пара начинается конденсация в объеме камеры 5. Тогда давление пара уменьшается, и под воздействием пружины

17 сильфон 8 сжимается, перемещая вверх гибкий шток 14. В результате этого зеркало

1711115

50 жидкости 9 занимает начальное положение, обеспечив тепловой контакт с торцом 3 стержня 1. Жидкость 9, прогреваясь, начинает снова испаряться, и зеркало жидкости

9 уходит вниз. Вместе с этим растягивается сильфон 8, перемещающий вниз гибкий шток 14.

Указанный процесс колебаний уровня жидкости 9 в цилиндрической камере 5 периодически повторяется.

Таким образом, на выходе исполнительного механизма получаем возвратно-поступательные движения гибкого штока 14. Это приводит в действие преобразователь возвратно-поступательного движения so вращательное (позиции 36 — 44 на фиг.2).

Возможность перемещения вставки 15 с постоянным объемом обеспечивает прямую зависимость между степенью заглубления h стержня 1 в жидкости 9 и величиной сжатия пружины 17, определяемой вращением гайки 16. Это позволяет точно задать требуемую частоту колебаний (возвратнопоступательных движений) гибкого штока

14, т.е, быстродействием исполнительного механизма. В частности, чем больше степень сжатия пружины 17, тел больше величина заглубления h стержня 1 в жидкости 9 и тем большему количеству жидкости 9 стержень 1 отдав тепло. На прогрев и испарение жидкости 9 в этом случае тратится больше времени, что снижает частоту пуль саций гибкого штока 14, а значит, и быстродействие исполнительного механизма, При малых заглублениях стержня 1 в жидкость 9 достигается за снет перемеще ния гайки 16 вниз, скорость нагрева и испарения жидкости увеличивается, поэтому частота пульсаций штока 14, а, значит, и быстродействие исполнительного механизма также увеличивается.

В состоянии равновесия кондуктор 20 элемента сравнения находится в среднем положении между замкнутыми газовыми полостями 21 и 22, что соответствует равным температурам и давлению газа в этих полостях, и отсутствию регулируемого воздействия, т.е. гибкий шток 14 исполнительного механизма находится в среднем нейтральном положении (одинаковое усилие со стороны сильфонов 32 и ЗЗ на шток

14) и не входит во взаимодействие с преобразователем возвратно-поступательного движения во вращательное.

При отклонении регулируемой величины Х от задания Х д, т.е. при появлении сигнала небаланса hX = X - Хэд, в зависимости от знака этого небаланса стержень 19 перемещается вверх или вниз, Здесь регулируемая величина Xi (например, темпера5

45 тура) преобразуется в линейное перемещение стержня 19. Например, стержень 19 переместился вверх, вместе с ним переместился и кондуктор 20. При этом у личивается площадь контакта кондуктора 20 с помощью 21 и уменьшается площадь контакта кондуктора 20 с полостью 22.

Поскольку полости 21 и 22 нагреваются через кондуктор 20, то температура и давление газа в полости 21 увеличиваются по сравнению с температурой и давлением газа в по.ласти 22, Это вызывает увеличение объема исполнительного сильфона 33 по сравнению с объемом сильфона 32. Свободный торец сильфона 33 перемещается при этсм влево. Это приводит к тому, что непрерывно совершающий возвратно-поступательные движения гибкий шток 14 перемещается влево и входит в зацепление с храповым колесом 37, что приводит в действие преобразователь движения, В зависимости от знака сигнала небаланса ЛХ возвратно-поступательное движение гибкого штока 14 с собачкой 36 сообщает вращательное движение одному из храповых колес 37 или 38 (допустим, . храповому колесу 37). В этом случае собачка

36 поворачивает xpanosoe колесо 3 вместе с валом 42 и шестерней 39 на число зубьев, соответствующее числу импульсов перемещений гибкого штока 14. В зависимости от знака сигнала небаланса ЬХ ведомая шестерня 41 вращается в ту или иную сторону (в рассматриваемом случае по часовой стрелке). Это приводит в действие преобразователь движения.

При вращении по часовой стрелке вала

44 вращаются в эту же сторону ведущее зубчатое колесо 45 и шкив 51. Вращение шкива 51 через гибкую передачу 52 передается шкиву 50 и ведомому зубчатому колесу

49, которые также начинают вращаться по часовой стрелке. Багодаря этому начинает перемещаться вниз рейка 53. Вращение ведущего зубчатого колеса 45 по часовой стрелке преобразуется в перемещение влево рейки 54, что приводит к закрытию проходного сечения трубопровода 56 регулирующим органом 55, т.е. к выработке соответствующего регулирующего воздейств и я Xg x.

Тепломеханические элементы регулятора образуют отрицательную обратную связь, действие которой сводится к следующему.

Допустим, что в исходный момент времени (момент равновесия) площадь контакта кондуктора 66 с прокладкой 54 и соответствующая площадь контакта с про1711115 которое может быть уменьшено путем уменьшения числа прокладок 64 и 65. т.e. уменьшения их тепловой инерции (постоянной времени апериодического звена 1-ro порядка Т ). Это физически означает срабатывамие отключающей обратной связи в течение малого промежутка времени, т.е. сильфон 60 в этом случае быстро отводит шток 14 и собачку 36 от храпового колеса 37.

Новое установившееся состояние (положение равновесия) наступает в системе, когда результирующее воздействие на гиб50 кладкой 65 одинаковы, что обуславливает одинаковую температуру прокладок и, следовательно, одинаковые значения температуры и давления газа в камерах 58 и 59 (рассматриваемый режим соответствует 5

50 -ному открытию заслонки 55 в трубопроводе 56).

Тепло от шины 69 идет через подвижный кондуктор 70, плиту 68 и кондуктор 66 ма нагрев прокладок 64 и 65. Рейка 53 пере- 10 мещается вниз, и вместе с. ней движется кондуктор 66. В результате этого площадь контакта кондуктора 66 с прокладкой 64 уменьшается и увеличивается площадь контакта кондуктора 66 с прокладкой 65. Благо- 15

Даря этому увеличиваются температура и давление газа в камере 59 по сравнению с емпературой и давлением газа в камере 58, оявление разности давления и температур газа в камерах 58 и 59.приводит к тому, что 20 давление газа в сильфоне 60 и,.следовательно, усилие, развиваемое им, становятся больше, чем давление газа в сильфоне 61 и усилие, развиваемое этим сильфомом, Однако укаэанные изменения темпера- 25 туры и давления газа в камерах 58 и 59, а следовательно, и давления газа 8 сильфонах . ВО и 61 происходит ме мгновенно после перемещения кондуктора 66, а спустя некоторое время, зависящее от тепловой инерции 30 (емкости) теплопроводных прокладок 64 и 5. Чем больше масса теплопроводных прокладок 64 и 65, тем позже прогревается газ в камере 59 и позже происходит увеличение давления газа в этом обьеме и перемещение сильфона 60 вправо, в сторону удаления гибкого штока 14 от храпового колеса 37, Таким образом, отключающая обратная связь срабатывает тем позже. чем больше тепловая инерция прокладок 64 и 65. Это 40 значит, что под действием ошибки рассогласования hX и привалирующего усилия сильфона ЗЗ гибкий шток 14 с собачкой 36 дольше находятся в зацеплении с храповым колесом 37 и вращается вал 44. Это вызывает дополнительное перемещение рейки 54 (Хвых) пропорционального времени задержки отключающего действия обратной связи, кий шток 14 со стороны сильфомов 60 и 61 цепи обратной связи уравновешивается результирующим действием на тот же шток 14 сильфонов 32 и ЗЗ пропорциональной (входной) части регулятора.

В положении равновесия шток 14 занимает нейтральное положение, вал 44 и рейки 53 и 54 неподвижны. В новом установившемся состоянии текущее значение регулируемого параметра Xi отличается от заданного значения Хзд на величину статической ошибки ЛХс . Это остаточное отклонение определяет в статике величину результирующего усилия на шток 14 со стороны сильфонов 32 и 33, которое уравновешивается оппозитным результирующим усилием, развиваемыми сильфонами 60 и

61. При этом равновесие достигается при том меньшем остаточном отклонении ЬХ т, чем выше значение Кя, т.е. при меньшем уровне сигнала, поступающего на входную часть регулятора от звена обратной связи.

Уменьшение уровня сигнала обратной связи достигается за счет уменьшения теплового потока (тепловой мощности), поступающего от тепловой шины 69 в плиту 68 и, следовательно; .в кондуктор 66 и затем в газовые камеры 58 и 59. Уровень этого теплового потока устанавливается с помощью кондуктора.70. В частности, уменьшение этого теплового потока достигается выводом .вверх кондуктора 70 из зазора между элементами 68 и 69. Вследствие этого понижается температурный уровень в газовых камерах 58 и 59 и снижается разность давлений газа в этих камерах, что обусловливает небольшое результирующее усилие, развиваемое сильфонами 60 и 61 при их воздействии на гибкий шток 14.

flo укаэанной причине равновесие в системе достигается при таком же небольшом результирующем оппозитном результирующем усилии со стороны сильфонов 32 и 33, воздействующих на гибкий шток 14. Последнее означает, что требуется (или устанавливается) небольшая разность давлений газа в полостях 21 и 22, чтобы развить это малое усилие с помощью сильфонов 32 и ЗЗ. А это возможно, если текущее значемие Xi не намного отличается от Хзд, т.е. при незначительном отклонении кондуктора 20 относительно разделительной стенки между полостями 21 и 22.

Таким образом, перемещая кондуктор

70 вверх, уменьшают наклон статической характеристики регулятора (увеличивает Кр и уменьшает статизм, степень неравномерности регулятора) и. наоборот, перемещая кондуктор 70 вниз, увеличивает наклон ста1711115

10 тической характеристики регулятора (уменьшают К и увеличивают статическую ошибку регулятора).

Формула изобретения

1. Регулятор с использованием тепловой энергии по авт, св. М 1619228, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения быстродействия регулятора, он содержит два дополнительных оппозитно расположенных сильфона, подвижные торцы которых связаны с гибким штоком, а также две теплоизолированные газовые камеры, одни изторцов которых выполнены в виде набора теплопроводных прокладок с возможностью изменения их количества, причем наружные прокладки связаны через первый дополнительный кондуктор с теплопроводной плитой, которая связана через второй дополнительный кондуктор с тепловой шиной, при атом первый дополнительный кондуктор выполнен в виде теплопроводной пластины, заключенной между двумя теплоизоляционными пластинами, и связан с рей5 кой, свободные поверхности теплопроводной плиты и тепловой шины теплоизолированы, а выходной вал связан с регулирующим органом через ведущее зубчатое колесо механизма преобразования

10 вращательного движения в линейное, ведущее зубчатое колесо которого связано с рейкой, причем полость каждого из . дополнительных оппозитно расположенных сильфонов сообщена с соответствующей

15 теплоизолированной газовой камерой.

2, Регулятор по п.1, отл ич э е щи йс я тем, что второй дополнительный конденсатор снабжен указателем шкалы величин

20 коэффициента усиления регулятора.

1711115

Составитель А; Габрильянц

Техред M.Mîðãåíòàë Корректор М. Максимишинец

Редактор И. Горная

Производственно-издательский комбинат "Патент", г, Ужгород, ул,Гагарина, 101

Заказ 338 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб„4/5