Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

СПОСОБ АВТОМАТИЧЕСКОГО ТЕРМОРЕГУЛИРОВАНИЯ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: 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.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2125738
Класс(ы) патента: G05D23/00
Номер заявки: 96120712/09
Дата подачи заявки: 18.10.1996
Дата публикации: 27.01.1999
Заявитель(и): Новиков Артур Витальевич
Автор(ы): Новиков А.В.
Патентообладатель(и): Новиков Артур Витальевич
Описание изобретения: 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];
H1max, H2max, H4max - 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];
Pзад - 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 Tзад [K] и максимально допустимая абсолютная погрешность поддержания этой температуры ΔTзад. Настройку устройства на поддержание в полости сосуда 1 температуры Tзад осуществляют путем настройки величины Pзад. Для этого с помощью задатчика давления 5 устанавливают постоянную величину Pзад таким образом, чтобы Pзад была равна давлению насыщенного пара жидкости 3 Pнас при температуре этой жидкости, равной Tзад:
Pзад = Pнас (Tзад). (1)
Отсюда, в предположении линейной зависимости Pнас(T) в диапазоне T = (Tзад - Δ T) - (Tзад + Δ T) имеем выражение для определения максимально допустимой погрешности поддержания величины Pзад:

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[Cж(Tзад-To)+ϕ]. (3)
где Cж - удельная теплоемкость жидкости 3 [Дж/кгК];
ϕ - удельная теплота парообразования жидкости 3 при давлении Pзад [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 Tзад вещества, находящегося в полости сосуда 1.
При анализе примем следующие допущения и положения.
1. Для величин H1max, H2max, H4max, а также для гидравлических характеристик магистрали 4 справедливо

где ρж - 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];
mmax - 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
Pг = Pзад;
ΔPг = Pг-Pзад = 0, (5)
где Pг - давление в газовой подушке сосуда 1;
ΔPг - перепад давления между газовыми подушками сосудов 1 и 2.
При известных значении ΔPзад и свойствах жидкости 3 условие (4) налагает ограничения на геометрию элементов 1, 2 и 4 заявляемого устройства.
2. При работе устройства выполняется условие
αж ≫ αг; (αжг)min ≫ 1, (6)
где αж - 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];
αг - коэффициент теплоотдачи от аккумулятора 7 к полости сосуда 1 через несмоченную часть поверхности 8, т.е. через часть поверхности 8, контактирующую с газовой фазой;
жг)min - наименее возможное значение величины αжг.
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 amin - наименьший коэффициент температуропроводности вещества в полости сосуда 1 [м2/с];
tx - 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 λmin - наименьший коэффициент теплопроводности вещества в полости сосуда 1 [Вт/мК];
αmax - наибольший коэффициент теплопередачи на границах полости сосуда 1 между полостью сосуда 1 и окружающей этот сосуд средой;
βi - 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 αmax, 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 λmin и αmax - 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';
αг max - - максимально возможное значение величины αг;
αж min - - минимально возможно значение величины αж;
ΔTmax - максимальный перепад температур между поверхностью 8 и полостью сосуда 1;
ΔTmin/- минимальный перепад температур между поверхностью 8 и полостью сосуда 1;
Qгmax - максимальное значение величины Q при полностью несмоченной поверхности 8;
Qжmin - минимальное значение величины Q при полностью смоченной поверхности 8.
Величина ΔTmax определяется верхней границей диапазона изменения температуры T7(T7max):
ΔTmax = T7max-Tзад. (13)
Величина T7max 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 Qmin. 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(T7min):
T7 min = Tзад+ ΔTmin. (14)
Преобразуя соотношения (11) и (12), имеем

Для обеспечения функционирования заявляемого устройства необходимо одновременное выполнение условий
Qmax/Qmin > 1;
ΔTmax/ΔTmin > 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 < Sж < S;
0 < H < H1max, (17)
где Sж - 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 < Tзад произойдет полная конденсация газовой подушки в сосуде 1, и сосуд 1 будет целиком заполнен жидкой фазой вещества 3, т.е. будет выполнено условие
Sж = S; H = H1max. (18)
Рассматриваемое допущение при заданной конструкции сосуда 1 и характеристиках потребителя 10 накладывает ограничение на объем сосуда 2 V23], который должен обеспечить заправку жидкостью 3 объема сосуда 1 V1, и расход вещества, поступающий к потребителю 10, в течение периода времени tп 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 Tзад выполняется условие
Tпл < Tзад ≅ Tкр, (20)
где Tпл и Tкр - 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 Tзад.
9. Для величин Q1 и Q' справедливо


где t - текущее время; t0 - момент времени, когда T7 = T7max;
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 = T7max, 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 = T7min - T7max.
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 tx, при заданных Qmax и нижней границе диапазона изменения величины Q(Q1min), 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 Mт [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
T7min ≅ T7 ≅ T7max. (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 Pг 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 Tг можно записать
Tг = Tзад. (28)
Допущение 4 позволяет распространить соотношение (28) на всю полость сосуда 1 и записать для произвольной точки этой полости
T1 = Tг = const = Tзад. (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) Pзад/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 Pзад 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 Pзад 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 Pa для величины атмосферного давления окружающей среды. Очевидно, в рассматриваемом варианте справедливо
Pзад = Pа = const, (32)
а регулирование величины Tзад 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 tк и периода автоматической работы устройства продолжительностью tа. Полная продолжительность одного цикла tу составляет
tу = tк + tа. (33)
Для осуществления операции контролируемого нагрева аккумулятора 7 оператор первоначально по термометру 38 контролирует величину T7 и в случае T7 < T7max 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 = T7max размыкает электрические контакты рубильника 24, отключая элемент 21 от электрического питания.
Таким образом, для периода tк справедливо
Q1 = Мт; t = (t0-tк) - t0. (34)
Далее в течение периода tа происходит работа устройства в автоматическом режиме, характеризуемая условиями
Q1 = 0; t = t0 - (t0 + tа). (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 tу за характерное время tх, с учетом (35) и (23) имеем соотношение для определения потребной величины C7:

В качестве величины tу=tх может выступать, например, продолжительность рабочей смены при посменном режиме работы устройства.
При рассматриваемой циклограмме работы генератора 6 величина tк является функцией величины T7 в момент замыкания контактов рубильника 24 и зависимости Q'(t) в течение времени t=(t0-tк) - t0:

Это не позволяет при известном tу заранее задаться постоянным значением tа.
Полагая, что для Мт справедливо
(38)
из (37) имеем

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

tу ≈ tа. (41)
Таким образом, при выполнении условия (38) можно определить максимально возможное значение величины tк и пренебречь этой величиной по сравнению с величинами tу и tа.
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 Tзад. 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.