Способ автоматического терморегулирования и устройство для его реализации

 

Изобретение относится к области теплотехники. Технический результат заключается в расширении диапазона применимости способа автоматического терморегулирования газожидкостного объема за счет упрощения и удешевления автоматического терморегулятора. Технический результат достигается за счет непосредственного преобразования температуры терморегулируемого объема как параметра термодинамического состояния вещества, находящегося в этом объеме, в величину теплового потока, подводимого к терморегулируемому объему. Способ автоматического терморегулирования состоит в регулировании величины теплового потока, подводимого к терморегулируемому веществу, в зависимости от температуры этого вещества. Новым в способе является то, что величину теплового потока, подводимого к терморегулируемому веществу, изменяют путем изменения площадей контакта газовой и жидкой фаз терморегулируемого вещества с нагретой поверхностью источника тепловой энергии за счет перемещения границы раздела этих фаз, происходящего в результате изменения термодинамического состояния терморегулируемого вещества. Устройство содержит герметичный основной сосуд, полость которого частично заполнена жидкостью, а частично - газом; источник тепловой энергии, который имеет протяженную в вертикальном направлении поверхность, контактирующую с полостью основного сосуда; вспомогательный сосуд, полость которого своей верхней точкой сообщена с задатчиком постоянного давления газа, а своей нижней точкой сообщена с нижней точкой полости основного сосуда. 2 с. и 6 з.п.ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к области теплотехники, а более конкретно - к способам и устройствам автоматического терморегулирования объемов, содержащих газ и жидкость и входящих в состав тепломассообменных систем.

Известен способ автоматического терморегулирования газожидкостного объема, используемый, например, в автоклавах [1].

Этот способ состоит в том, что находящуюся в терморегулируемом объеме (ТО) жидкость нагревают до температуры кипения с помощью тепловой энергии, подводимой от нагревателя, а температуру ТО регулируют путем регулирования давления в газовой подушке этого ТО с помощью предохранительного клапана так, чтобы это давление соответствовало давлению насыщенных паров нагреваемой жидкости при требуемой температуре ТО.

К недостаткам такого способа терморегулирования относится нерегулируемость теплового потока, поступающего от нагревателя к ТО, и, как следствие, необходимость непроизводительной утилизации избыточной тепловой энергии, поступающей в ТО, путем сброса через предохранительный клапан в окружающую атмосферу носителя этой энергии - пара нагреваемой жидкости.

Наиболее близким к заявляемому является известный способ автоматического терморегулирования газожидкостного объема, используемый, например, в системах водяного [2] и парового [3] отопления. Этот способ состоит в регулировании в зависимости от температуры ТО теплового потока, поступающего в ТО, путем регулирования мощности нагревателя, генерирующего этот тепловой поток.

Этому способу соответствуют устройства, содержащие, в общем случае [4], установленный в ТО датчик температуры, автоматически регулируемый генератор тепловой энергии и систему, преобразующую по требуемой зависимости выходной сигнал датчика температуры в сигнал, управляющий генератором тепловой энергии.

К недостаткам данного способа можно отнести: - необходимость многоэтапного преобразования температуры ТО в сигнал, управляющий генератором тепловой энергии, что подразумевает наличие элементов, осуществляющих это преобразование, удорожает стоимость автоматического терморегулятора и снижает его надежность; - необходимость наличия автоматически регулируемого генератора тепловой энергии, что ограничивает тип этого генератора и тип носителя исходной формы энергии.

Указанные недостатки ограничивают диапазон применения рассматриваемого способа автоматического терморегулирования.

Целью настоящего изобретения является расширение диапазона применимости способа автоматического терморегулирования газожидкостного объема за счет упрощения и удешевления автоматического терморегулятора путем непосредственного преобразования температуры ТО как параметра термодинамического состояния вещества, находящегося в ТО, в величину теплового потока, подводимого к ТО.

Указанная цель достигается тем, что величину теплового потока, подводимого к ТО, изменяют путем изменения площадей контакта газовой и жидкой фаз вещества, находящегося в ТО, с нагретой поверхностью источника тепловой энергии за счет перемещения границы раздела этих фаз, происходящего при изменении термодинамического состояния вещества в ТО.

Указанная цель достигается также тем, что процесс изменения температуры ТО организуют таким образом, чтобы происходящее при этом изменение фазового состава вещества в ТО сопровождалось требуемым изменением площадей газовой и жидкой фаз этого вещества с нагретой поверхностью источника тепловой энергии.

Конструктивно указанная цель достигается, например, тем, что устройство для автоматического терморегулирования газожидкостного объема содержит герметичный основной сосуд, полость которого частично заполнена жидкостью, а частично - газом; источник тепловой энергии в виде нагревателя, имеющего протяженную в вертикальном направлении поверхность, контактирующего с полостью основного сосуда; герметичный вспомогательный сосуд, нижняя точка полости которого гидравлически связана с нижней точкой полости основного сосуда; задатчик давления газа, который пневматически связан с верхней точкой полости вспомогательного сосуда.

Газовая подушка основного сосуда может состоять как из пара находящейся в этом сосуде жидкой фазы, так и из смеси различных газов.

В качестве задатчика давления газа может выступать атмосфера окружающей среды.

Заявляемый автоматический терморегулятор может функционировать в составе технических систем, использующих как тепловую энергию ТО, так и терморегулированное вещество из этого ТО. К первому типу могут относится, например, отопительные системы или рекуперативные теплообменники [3, 4, 5] с терморегулированной нагревательной поверхностью. Ко второму типу могут относиться, например, перегонные кубы для получения дистиллированных жидкостей, парогенераторы или смесительные теплообменники [5].

Сущность изобретения поясняется фигурами 1, 2, 3, 4, 5. На фигуре 1 представлен вариант схемного исполнения заявляемого устройства. На фигурах 2, 3, 4, 5 представлены различные варианты конструктивного исполнения элементов заявляемого устройства.

Устройство (см. фиг. 1) имеет в своем составе сосуды 1 и 2, которые заполнены жидкостью 3. Нижние полости сосудов 1 и 2 гидравлически связаны друг с другом магистралью 4. Верхняя точка полости сосуда 2 соединена с задатчиком давления газа 5 с возможностью поддержания постоянного заданного давления в газовой подушке полости сосуда 2. Генератор тепловой энергии 6 связан с аккумулятором тепловой энергии 7 с возможностью передачи тепловой энергии от генератора 6 к аккумулятору 7. Аккумулятор 7 имеет вертикальную поверхность 8, контактирующую с полостью сосуда 1. Потребитель тепловой энергии 9 соединен с сосудом 1 с возможностью передачи тепловой энергии из полости сосуда 1 к потребителю 9. Потребитель 10 вещества из полости сосуда 1 соединен с сосудом 1 с возможностью подачи вещества на полости сосуда 1 к потребителю 10.

На фигуре 1 и далее в тексте приняты следующие обозначения: H - уровень жидкости 3 в сосуде 1, отсчитываемый от нижней точки поверхности 8 [м]; H_1max, H_2max, H_4max - вертикальные габариты поверхности 8, полости сосуда 2 и магистрали 4 соответственно [м]; m - расход вещества, подаваемый из полости сосуда 1 к потребителю 10 [кг/с]; Q - тепловой поток, передаваемый от аккумулятора 7 к полости сосуда 1 [Вт]; Q₁ - тепловой поток, передаваемый от генератора 6 к аккумулятору 7 [Вт]; Q₂ - тепловой поток, передаваемый от полости сосуда 1 к потребителю 9 [Вт]; P_зад - заданное давление в газовой подушке сосуда 2 [Па].

Устройство работает следующим образом.

Генератор тепловой энергии 6 преобразует исходный вид энергии (например, электрической) в тепловую энергию. Тепловая энергия поступает от генератора 6 к аккумулятору тепловой энергии 7, а от аккумулятора 7 - в полость сосуда 1 через поверхность 8. Из полости сосуда 1 тепловая энергия поступает к потребителям 9 и 10. Передача тепловой энергии от сосуда 1 к потребителю 9 не связана с отбором вещества из полости сосуда 1, и при равномерном положении зеркала жидкости в сосуде 1 (H=const) общее количество жидкой фазы остается постоянным. Передача тепловой энергии от сосуда 1 к потребителю 10 происходит путем уноса к потребителю 10 вещества из сосуда 1, что при условии H= const приводит к уменьшению количества жидкой фазы в сосуде 2 и подаче жидкости 3 из сосуда 2 в сосуд 1 через магистраль 4.

Пусть заданы требуемая температура вещества в полости сосуда 1 T_зад [K] и максимально допустимая абсолютная погрешность поддержания этой температуры ΔT_зад. Настройку устройства на поддержание в полости сосуда 1 температуры T_зад осуществляют путем настройки величины P_зад. Для этого с помощью задатчика давления 5 устанавливают постоянную величину P_зад таким образом, чтобы P_зад была равна давлению насыщенного пара жидкости 3 P_нас при температуре этой жидкости, равной T_зад:
P_зад = P_нас (T_зад). (1)
Отсюда, в предположении линейной зависимости P_нас(T) в диапазоне T = (T_зад - Δ T) - (T_зад + Δ T) имеем выражение для определения максимально допустимой погрешности поддержания величины P_зад:

Величина теплового потока Q₃ [Вт], поступающего из полости сосуда 1 к потребителю 10, является функцией величины m и в случае, когда носителем этого потока является пар жидкости 3, может быть определена по соотношению
Q₃ = m[C_ж(T_зад-T_o)+ϕ]. (3)
где C_ж - удельная теплоемкость жидкости 3 [Дж/кгК];
ϕ - удельная теплота парообразования жидкости 3 при давлении P_зад [Дж/кг];
T₀ - начальная температура жидкости 3 в сосуде 1 [K].

Проведем анализ процесса передачи тепловой энергии от генератора 6 к потребителям 9 и 10 и покажем, что при переменных значениях величин Q₁, Q₂ и m устройство обеспечит поддержание постоянной температуры T_зад вещества, находящегося в полости сосуда 1.

При анализе примем следующие допущения и положения.

1. Для величин H_1max, H_2max, H_4max, а также для гидравлических характеристик магистрали 4 справедливо

где ρ_ж - плотность жидкости 3, кг/м³;
g = 9,81 м/с² - физическая константа;
ζ - суммарный коэффициент гидравлического сопротивления магистрали 4;
F - площадь проходного сечения магистрали 4 [м⁴];
m_max - верхняя граница диапазона изменения величины m.

Физически условие (4) означает, что можно пренебречь перепадом давления между зеркалом жидкости в сосуде 1 и зеркалом жидкости в сосуде 2, что при равновесном положении зеркала жидкости в сосуде 1 (H=const) позволяет записать
P_г = P_зад;
ΔP_г = P_г-P_зад = 0, (5)
где P_г - давление в газовой подушке сосуда 1;
ΔP_г - перепад давления между газовыми подушками сосудов 1 и 2.

При известных значении ΔP_зад и свойствах жидкости 3 условие (4) налагает ограничения на геометрию элементов 1, 2 и 4 заявляемого устройства.

2. При работе устройства выполняется условие
α_ж ≫ α_г; (α_ж/α_г)_min ≫ 1, (6)
где α_ж - коэффициент теплоотдачи от аккумулятора 7 к полости сосуда 1 через смоченную часть поверхности 8, т.е. через часть поверхности 8, контактирующую с жидкой фазой [Вт/м²K];
α_г - коэффициент теплоотдачи от аккумулятора 7 к полости сосуда 1 через несмоченную часть поверхности 8, т.е. через часть поверхности 8, контактирующую с газовой фазой;
(α_ж/α_г)_min - наименее возможное значение величины α_ж/α_г.
Справедливость соотношений (6) для большинства практически важных случаев подтверждается данными работы [5].

Физически условие (6) означает, что при соизмеримых площадях смоченный и несмоченной частей поверхности 8, а также при соизмеримых перепадах температур между этими частями и полостью сосуда 1 теплообменом на несмоченной части поверхности 8 можно пренебречь по сравнению с теплообменом на смоченной части поверхности 8.

3. Для вещества, находящегося в полости сосуда 1, справедливо условие

где a_min - наименьший коэффициент температуропроводности вещества в полости сосуда 1 [м²/с];
t_x - характерное время изменения внешних условий для вещества в полости сосуда 1 [c], например, период колебания величин Q₁, Q₂, m;
F₀ - критерий Фурье.

Физически условие (7) означает, что процесс теплообмена между полостью сосуда 1 и окружающей эту полость средой можно рассматривать как квазистационарный, т.е. как набор ряда последовательных стационарных процессов. Это позволяет, в частности, рассматривать зеркало жидкости в сосуде 1 в каждый конкретный момент времени как неподвижное (H=const), что в совокупности с принятым допущением 1 позволяет считать соотношение (5) справедливым для газовой подушки сосуда 1.

При заданных конструкциях сосуда 1 и аккумулятора 7, а также свойствах вещества в сосуде 1 соотношение (7) налагает ограничения на циклограмму функционирования генератора 6 и потребителей 9 и 10.

4. Для вещества, находящегося в полости сосуда 1, справедливо условие

где λ_min - наименьший коэффициент теплопроводности вещества в полости сосуда 1 [Вт/мК];
α_max - наибольший коэффициент теплопередачи на границах полости сосуда 1 между полостью сосуда 1 и окружающей этот сосуд средой;
β_i - критерий Био.

Физически условие (8) в совокупности с условием (7) означает, что в каждый конкретный момент времени температура T₁ вещества, находящегося в полости сосуда 1, одинакова для всех точек этой полости:
T₁ = const. (9)
При заданных конструкциях сосуда 1 и аккумулятора 7, а также свойствах вещества в сосуде 1 условие (8) налагает ограничение на величину α_max, характеризующего интенсивность тепловых потоков Q₁, Q₂, Q₃, т.е. на тепловую мощность генератора 6 и потребителей 9 и 10.

5. Для аккумулятора 7 справедливо условие, аналогичное условию 8, где λ_min и α_max - соответственно величины, характеризующие свойства и граничные условия материала аккумулятора 7. Это позволяет в каждый конкретный момент времени для температуры T₇ произвольной точки аккумулятора 7 (в том числе для поверхности 8) считать
T₇ = const. (10)
Как и в случае допущения 4, допущение 5 налагает ограничения на тепловую мощность генератора 6 и потребителей 9 и 10.

6. Величина суммарного теплового потока Q', отводимого от полости сосуда 1 (Q' = Q₂ + Q₃), имеет следующий рабочий диапазон изменения:


где S - полная площадь поверхности 8 [м²];
соответственно нижняя и верхняя границы диапазона изменения величины Q';
α_{г max} - - максимально возможное значение величины α_г;
α_{ж min} - - минимально возможно значение величины α_ж;
ΔT_max - максимальный перепад температур между поверхностью 8 и полостью сосуда 1;
ΔT_min/- минимальный перепад температур между поверхностью 8 и полостью сосуда 1;
Q_гmax - максимальное значение величины Q при полностью несмоченной поверхности 8;
Q_жmin - минимальное значение величины Q при полностью смоченной поверхности 8.

Величина ΔT_max определяется верхней границей диапазона изменения температуры T₇(T_7max):
ΔT_max = T_7max-T_зад. (13)
Величина T_7max зависит от свойств конструктивных материалов аккумулятора 7 и сосуда 1, свойств вещества в сосуде 1, характеристик генератора 6 и потребителей 9 и 10.

Соотношение (11) при заданных конструкциях сосуда 1 и аккумулятора 7, а также свойствах вещества в сосуде 1 налагает ограничение на величину Q_min. Соотношение (12) при заданных конструкциях сосуда 1 и аккумулятора 7, а также характеристиках потребителей 9 и 10 налагает ограничения на нижнюю границу диапазона изменения температуры T₇(T_7min):
T_{7 min} = T_зад+ ΔT_min. (14)
Преобразуя соотношения (11) и (12), имеем

Для обеспечения функционирования заявляемого устройства необходимо одновременное выполнение условий
Q_max/Q_min > 1;
ΔT_max/ΔT_min > 1. (16)
Сравнительный анализ соотношений (15), (16) и (6) позволяет сделать вывод, что рассматриваемое допущение не противоречит допущению 2, справедливость которого показана ниже, и может быть принято при дальнейшем рассмотрении.

Физически совокупность соотношений (11) и (12) означает, что при изменении величин Q' и T₇ в рабочих диапазонах равенство тепловых потоков, поступающих в полость сосуда 1 и отводимых из этой полости (Q=Q'), может иметь место только при условии
0 < S_ж < S;
0 < H < H_1max, (17)
где S_ж - площадь смоченной части поверхности 8.

7. Газовая подушка в полости сосуда 1 состоит только из паров жидкости 3.

Физически это условие означает, что при T₁ < T_зад произойдет полная конденсация газовой подушки в сосуде 1, и сосуд 1 будет целиком заполнен жидкой фазой вещества 3, т.е. будет выполнено условие
S_ж = S; H = H_1max. (18)
Рассматриваемое допущение при заданной конструкции сосуда 1 и характеристиках потребителя 10 накладывает ограничение на объем сосуда 2 V₂ [м³], который должен обеспечить заправку жидкостью 3 объема сосуда 1 V₁, и расход вещества, поступающий к потребителю 10, в течение периода времени t_п между двумя перезаправками сосуда 2:

Выполнение условия (19) обеспечит непопадание газа из газовой подушки сосуда 1 в газовую подушку сосуда 2 при функционировании заявляемого устройства.

8. Для T_зад выполняется условие
T_пл < T_зад ≅ T_кр, (20)
где T_пл и T_кр - соответственно температура плавления и критическая температура вещества 3. Это условие является очевидным следствием соотношения (1).

Условие (20) при заданных свойствах вещества в сосуде 1 ограничивает значение величины T_зад.

9. Для величин Q₁ и Q' справедливо


где t - текущее время; t₀ - момент времени, когда T₇ = T_7max;
t₁ - произвольный период времени;
C₇ - теплоемкость аккумулятора 7 [Дж/К].

Физически условия (21) и (22) с учетом допущения 5 означают, что при начальном условии T₇ = T_7max, а также при функционировании генератора 6 и потребителей 9 и 10 в расчетном режиме температура T₇ не может выйти за пределы своего рабочего диапазона T₇ = T_7min - T_7max.

Условия (21) и (22) при заданных характеристиках генератора 6 и потребителей 9 и 10 накладывают ограничения на величину C₇. Принимая величину t₀ за нулевую точку отсчета, t₁ - за характерное время t_x, при заданных Q_max и нижней границе диапазона изменения величины Q(Q_1min), из условия (21) получаем выражение для определения величины C₇, которая гарантированно обеспечит выполнение этого условия:

Условие (22) при известных характеристиках потребителей 9 и 10 накладывает ограничение на потребную тепловую мощность M_т [Вт] генератора 6.

В частности, условие
(24)
при непрерывной работе генератора 6 гарантировано обеспечит выполнение условия (22).

Поскольку каждое из рассмотренных допущений технически выполнимо и не противоречит физике рассматриваемого процесса, система допущений 1 - 9 может быть принята при дальнейшем анализе.

В соответствии с допущенном 3 для вещества, находящегося в полости сосуда 1, процесс теплообмена с окружающей средой рассматривается как квазистационарный, что позволяет для каждого конкретного момента времени записать условие теплового баланса для этого вещества в виде
Q = Q' (25)
а условие равновесия зеркала жидкости в полости сосуда 1 записать в виде
H = const. (26)
В соответствии с допущением 9 можно записать
T_7min ≅ T₇ ≅ T_7max. (27)
Допущение 6 с учетом соотношений (25) и (27) позволяет сделать вывод о гарантированном наличии в верхней точке полости сосуда 1 газовой фазы, а в нижней точке полости сосуда 1 жидкой фазы. С учетом допущения 7 газовая подушка в полости сосуда 1 состоит из паров жидкости 3, находящихся в состоянии фазового равновесия с жидкой фазой, т.е. из насыщенных паров жидкости 3. По данным работы [6] состояние насыщения паров жидкости, при известном химическом составе этой жидкости, определяет однозначную монотонно возрастающую зависимость равновесной температуры этих паров от их давления.

Для давления P_г в газовой подушке сосуда 1, с учетом допущения 1 и соотношения (26), можно считать справедливыми соотношения (5).

Отсюда, с учетом допущения 8 и соотношения (1) для температуры газовой подушки сосуда 1 T_г можно записать
T_г = T_зад. (28)
Допущение 4 позволяет распространить соотношение (28) на всю полость сосуда 1 и записать для произвольной точки этой полости
T₁ = T_г = const = T_зад. (29)
Соотношение (29) фактически означает, что при выполнении принятых допущений и соответствующих им ограничений заявляемое устройство действительно обеспечивает автоматическое терморегулирование вещества, находящегося в полости сосуда 1, т.е. поддерживает постоянную заданную температуру этого вещества при переменных значениях Q₁, Q₂ и m.

Таким образом, принципиальную работоспособность заявляемых способа и устройства можно считать доказанной.

На фигуре 2 представлен вариант конструктивного исполнения задатчика давления газа 5, контур которого обозначен пунктирной линией. В этом варианте исполнения задатчик 5 состоит из сосуда 11, который соединен магистралью 12 с верхней точкой сосуда 2. Магистраль 13 содержит сосуд 11 с манометром 14. Магистраль 15 соединяет сосуд 11 с газовым сосудом высокого давления 16 через регулятор давления 17, в качестве которого может быть использован, например, редукционный пневмоклапан [7]. Сосуд 16 связан магистралью 18 с манометром 19.

Для объемов сосудов 16 (V₁₆) и 11 (V₁₁) принимаем следующие соотношения:
V₁₆ ≥ (V₁ + V₂) P_зад/P₁₆; (30)

где P₁₆ - рабочее давление сосуда 16.

Условие (30) обеспечивает полное вытеснение жидкости 3 из сосуда 2 в сосуд 1 и к потребителю 10 за одну заправку сосуда 16 газом под давлением P₁₆.

Условие (31) обеспечивает поддержание в газовой подушке сосуда 2 давления P_зад с требуемой точностью при полном вытеснении жидкости 3 из сосуда 1 в сосуд 2 во время работы заявляемого устройства. Задатчик давления газа (см. фиг. 1) работает следующим образом.

Первоначально сосуд 16 заправляют сжатым газом до давления P₁₆ (контроль - по манометру 19), а с помощью регулятора давления 17 настраивают требуемую величину давления газа P_зад в сосуде 11 (контроль - по манометру 14). При работе заявляемого устройства по мере вытеснения жидкости 3 из сосуда 2 в сосуд 1 и к потребителю 10 с массовым расходом m происходит замещение объема вытесненной жидкости газом из сосуда 16, поступающего в газовую подушку сосуда 2 через магистраль 15, регулятор 17, сосуд 11 и магистраль 12.

Условие (31) позволяет пренебречь сжатым газом в сосудах 2 и 11 при колебаниях уровня в сосуде 1. Таким образом, представленный на фиг. 2 вариант конструктивного исполнения задатчика 5 обеспечивает поддержание постоянного заданного давления в газовой подушке сосуда 2.

На фигуре 3 представлен вариант конструктивного исполнения заявляемого устройства, в котором функцию задатчика давления газа 5 выполняет атмосфера окружающей среды, а сам задатчик 5 является, таким образом, нерегулируемым. В этом варианте конструктивного исполнения верхняя точка сосуда 2 имеет горловину 20, сообщающую полость сосуда 2 с окружающей атмосферой.

На фигуре 3 и далее в тексте принято обозначение P_a для величины атмосферного давления окружающей среды. Очевидно, в рассматриваемом варианте справедливо
P_зад = P_а = const, (32)
а регулирование величины T_зад для обеспечения условия (1) может осуществляться, например, подбором химического состава жидкости 3.

На фигуре 4 представлен вариант конструктивного исполнения заявляемого устройства для случая, когда оно одновременно служит источником терморегулированного жидкостного пара и тепловой энергии, а для получения тепловой энергии использован электрический нагревательный элемент. Штрихпунктирной линией на фиг. 4 обозначен контур генератора тепловой энергии 6.

Устройство имеет в своем составе генератор тепла 6, выполненный в виде электрического нагревательного элемента 21, запитанного от источника электрического питания 22 электрическими линиями 23 через ручной рубильник 24. В качестве источника 22 может быть использован, например, электрический аккумулятор или электрическая сеть. Нагревательный элемент 21 имеет тепловой контакт с аккумулятором тепловой энергии 7.

Элементы 1, 7 и 21 образуют общую сборку, внешняя поверхность которой покрыта слоем теплоизоляции 25. Магистраль 26 связывает полость сосуда 1 со смесительной камерой 27 через регулируемое гидравлическое сопротивление 28, в качестве которого может быть использована, например, регулировочная задвижка с переменной степенью открытия [8]. Источник 29 нагреваемого жидкого или газообразного компонента соединен с камерой 27 магистралью 30. Потребитель 31 смеси компонента от источника 29 и вещества из полости сосуда 1 соединен с камерой 27 магистралью 32. Магистраль 33 соединяет источник 29 с полостью сосуда 34. Магистраль 35 соединяет полость сосуда 34 с потребителем 36 компонента от источника 29 через регулируемое гидравлическое сопротивление 37. Сосуд 34 расположен в полости сосуда 1. Устройство имеет в своем составе термометр 38, установленный с возможностью измерения температуры аккумулятора 7.

В представленном на фиг. 4 варианте конструктивного исполнения потребитель 10 представляет собой теплообменник смесительного типа, состоящий из элементов 26, 27, 28, 30, 31, 32. Потребитель 9 представляет собой теплообменник рекуперативного типа, состоящий из элементов 33, 34, 35, 36, 37. Элемент 29 входит в состав обоих потребителей 9 и 10.

Устройство (см. фиг. 4) работает циклически, следующим образом.

Каждый цикл работы устройства состоит из последовательно чередующихся периода контролируемого нагрева аккумулятора 7 продолжительностью t_к и периода автоматической работы устройства продолжительностью t_а. Полная продолжительность одного цикла t_у составляет
t_у = t_к + t_а. (33)
Для осуществления операции контролируемого нагрева аккумулятора 7 оператор первоначально по термометру 38 контролирует величину T₇ и в случае T₇ < T_7max замыкает электрические контакты рубильника 24. В результате происходит запитка элемента 21 электрическим напряжением от источника 22 по линиям 23, и элемент 21 начинает преобразовывать электрическую энергию источника 22 в тепловую энергию. При этом в соответствии с условием (24) происходит повышение температуры T₇. Оператор контролирует процесс роста T₇ по термометру 38 и по достижении T₇ = T_7max размыкает электрические контакты рубильника 24, отключая элемент 21 от электрического питания.

Таким образом, для периода t_к справедливо
Q₁ = М_т; t = (t₀-t_к) - t₀. (34)
Далее в течение периода t_а происходит работа устройства в автоматическом режиме, характеризуемая условиями
Q₁ = 0; t = t₀ - (t₀ + t_а). (35)
В течение этого периода в соответствии с соотношениями (11), (25), (35) происходит передача тепловой энергии от аккумулятора 7 к веществу в полости сосуда 1, сопровождающаяся уменьшением величины T₇. По истечении периода времени оператор вновь осуществляет контролируемый нагрев аккумулятора 7, и цикл работы устройства повторяется.

Во время работы устройства пар жидкости 3 поступает из полости сосуда 1 по магистрали 26 через гидравлическое сопротивление 28 в камеру 27. Таким образом осуществляется отбор из полости сосуда 1 массового расхода m, величину которого регулируют с помощью гидравлического сопротивления 28. Компонент от источника 29 поступает в камеру 27 по магистрали 30. Смесь компонента от источника 29 и пара из полости сосуда 1 поступает к потребителю 31 по магистрали 32. По магистрали 33 компонент от источника 29 поступает в полость сосуда 34, где происходит теплообмен этого компонента с полостью сосуда 1 через стенки сосуда 34. Из полости сосуда 34 компонент от источника 29 через магистраль 35 и гидравлическое сопротивление 37 поступает к потребителю 36.

Таким образом осуществляется отбор из полости сосуда 1 теплового потока Q₂. Величину Q₂ регулируют путем регулирования расхода вещества через полость сосуда 34 с помощью гидравлического сопротивления 37. Принимая величину t_у за характерное время t_х, с учетом (35) и (23) имеем соотношение для определения потребной величины C₇:

В качестве величины t_у=t_х может выступать, например, продолжительность рабочей смены при посменном режиме работы устройства.

При рассматриваемой циклограмме работы генератора 6 величина t_к является функцией величины T₇ в момент замыкания контактов рубильника 24 и зависимости Q'(t) в течение времени t=(t₀-t_к) - t₀:

Это не позволяет при известном t_у заранее задаться постоянным значением t_а.

Полагая, что для М_т справедливо
(38)
из (37) имеем

а из (22) с учетом (33) после преобразований

t_у ≈ t_а. (41)
Таким образом, при выполнении условия (38) можно определить максимально возможное значение величины t_к и пренебречь этой величиной по сравнению с величинами t_у и t_а.

Физически это означает, что необходимое время контроля оператора за работой заявляемого устройства пренебрежимо мало по сравнению с общим временем работы этого устройства.

Условие (38) при известных характеристиках потребителей 9 и 10 налагает ограничение на потребную мощность генератора 6.

На фигуре 5 представлен вариант конструктивного исполнения заявляемого устройства для случая, когда это устройство служит источником тепловой энергии с терморегулированной нагревательной поверхностью, а тепловой поток к потребителю тепловой энергии поступает через стенку сосуда 1. В таком варианте исполнения устройство может быть использовано, например, для термообработки объектов, не допускающих перегрева выше температуры T_зад. В этом случае (см. фиг. 5) потребителем тепловой энергии является объем 39, заполненный, например, атмосферным воздухом. Термообрабатываемый объект 40 размещен в объем 39. Сосуд 1 имеет теплопроводящую стенку 41, внешняя поверхность которой контактирует с объемом 39. Теплоизолирующий экран 42 установлен в направляющей 43 с возможностью перемещения вдоль внешней поверхности стенки 41. Устройство работает следующим образом. Теплообмен между полностью сосуда 1 и объемом 39 осуществляется через стенку 41. От стенки 41 силами естественной конвекции вещества, находящегося в объеме 39, тепловая энергия поступает к объекту 40. Величину Q₂ регулируют путем изменения площади контакта стенки 41 с объемом 39 за счет перемещения экрана 42. В качестве генератора тепловой энергии 6 в заявляемом устройстве может быть использована, например, печь периодического действия [9], топочная камера и дымовая труба которой размещены в теле аккумулятора 7.

В этом случае включение и выключение генератора 6 осуществляются соответственно путем растапливания печи и путем прекращения подачи топлива в топливную камеру.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1. Большая советская энциклопедия / под ред. А.М.Прохорова и др. - М.: Советская энциклопедия, 1970, т. 1, с. 122, 123.

2. Краткая энциклопедия домашнего хозяйства / под ред. И.М.Терехова. - М.: Советская энциклопедия, 1988, с. 18.

3. Большая советская энциклопедия / под ред. А.М.Прохорова и др. - М.: Советская энциклопедия, 1975, т. 19, с. 222.

4. Большая советская энциклопедия /под ред. А.М.Прохорова и др. - М.: Советская энциклопедия, 1976, т. 25, с. 492.

5. Справочник машиностроителя / под ред. И.С.Ачеркана. - М.: Машгиз, 1960, т. 3, с. 213, 222, 223.

6. Справочник машиностроителя / под ред. Н.С.Ачеркана. - М.: Машгиз, 1960, т. 3, с. 91, 92.

7. Анурьев В.И. Справочник конструктора машиностроителя. - М.: "Машиностроение", 1979, т. 3, с. 430.

8. Справочник машиностроителя / под ред. Н.С.Ачеркана. - М.: Машгиз, 1960, т. 3, с. 649.

9. Большая советская энциклопедия / под ред. А.М.Прохорова и др. - М.: Советская энциклопедия, 1975, т. 19, с. 512.

Формула изобретения

1. Способ автоматического терморегулирования, состоящий в регулировании величины теплового потока, подводимого к терморегулируемому веществу, в зависимости от температуры этого вещества, отличающийся тем, что величину теплового потока, подводимого к терморегулируемому веществу, изменяют путем изменения площадей контакта газовой и жидкой фаз терморегулируемого вещества с нагретой поверхностью источника тепловой энергии за счет перемещения границы раздела этих фаз, происходящего в результате изменения термодинамического состояния терморегулируемого вещества.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что путем подбора геометрии поверхности источника тепловой энергии, давления и других влияющих факторов параметры процесса изменения термодинамического состояния и соответствующего фазового состава терморегулируемого вещества настраивают таким образом, чтобы получить требуемую зависимость величины теплового потока, поступающего к терморегулируемому веществу, от температуры этого вещества.

3. Способ по п.2, отличающийся тем, что получаемая требуемая зависимость величины теплового потока, поступающего к терморегулируемому веществу, от температуры этого вещества обеспечивает поддержание постоянного значения этой температуры при переменных значениях тепловых и массовых потоков, отводимых от терморегулируемого вещества к внешним потребителям, а также при переменной температуре нагретой поверхности источника тепловой энергии, контактирующей с терморегулируемым веществом.

4. Устройство для реализации способа по п.1, содержащее герметичный основной сосуд, полость которого частично заполнена жидкостью, а частично - газом, источника тепловой энергии, который имеет протяженную в вертикальном направлении поверхность, контактирующую с полостью основного сосуда, отличающееся тем, что оно снабжено вспомогательным сосудом, полость которого сообщена своей верхней точкой с задатчиком постоянного давления газа, а своей нижней точкой - с нижней точкой основного сосуда.

5. Устройство по п.4, отличающееся тем, что источник тепловой энергии состоит из генератора тепловой энергии, имеющего тепловой контакт с аккумулятором тепловой энергии, который, в свою очередь, контактирует с полостью основного сосуда по протяженной в вертикальном направлении поверхности.

6. Устройство по п.4, отличающееся тем, что полость основного сосуда имеет тепловую и гидравлическую связь с потребителями с возможностью передачи тепловой энергии и массы от полости основного сосуда к этим потребителям.

7. Устройство по п.4, отличающееся тем, что задатчиком постоянного давления газа служит атмосфера окружающей среды.

8. Устройство по п.4, отличающееся тем, что самый низкокипящий компонент жидкости, находящейся в полости основного сосуда, имеет давление насыщенных паров, равное давлению, создаваемому задатчиком постоянного давления газа, при требуемой температуре вещества в полости основного сосуда.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5