Στρατηγικές ελέγχου που διατηρούν σταθερά τα κρυογονικά συστήματα
Οι τυπικοί ελεγκτές θερμοκρασίας-απενεργοποιημένοι λειτουργούν επαρκώς για τις περισσότερες βιομηχανικές εφαρμογές θέρμανσης. Στους μείον 120 βαθμούς Κελσίου, ωστόσο, οι ίδιοι ελεγκτές που διατηρούν ±1 βαθμό σε θερμοκρασία δωματίου παράγουν ταλαντώσεις ±10 μοιρών ή περισσότερες, ενεργοποιώντας και απενεργοποιώντας τους θερμαντήρες τόσο επιθετικά που η κόπωση του υλικού επιταχύνεται δραματικά. Η στρατηγική ελέγχου είναι τόσο σημαντική όσο και η ίδια η θερμάστρα.
Ο έλεγχος της θερμοκρασίας σε κρυογονικές εφαρμογές παρουσιάζει μεγαλύτερες προκλήσεις από την κανονική βιομηχανική θέρμανση λόγω των τεράστιων διαφορών θερμοκρασίας και της χαρακτηριστικής θερμικής δυναμικής που εμπλέκεται. Ο θερμαντήρας και το περιβάλλον του μπορεί να έχουν διαφορά θερμοκρασίας 300 βαθμούς Κελσίου ή περισσότερο, καθιστώντας αδύνατο για τα τυπικά συστήματα ελέγχου να χειριστούν τους ρυθμούς μεταφοράς θερμότητας. Η απόδοση ενός θερμαντήρα κασετών επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από τον σχεδιασμό του συστήματος ελέγχου, την επιλογή αλγορίθμων και τον συντονισμό των παραμέτρων. Οι κατάλληλες τακτικές ελέγχου παρατείνουν τη διάρκεια ζωής του θερμαντήρα διατηρώντας τις ακριβείς απαιτήσεις θερμοκρασίας της διαδικασίας που είναι απαραίτητες για την επιτυχία της εφαρμογής.
Η απλούστερη και πιο κοινή μέθοδος ρύθμισης ενός θερμαντήρα περιλαμβάνει την ενεργοποίηση και απενεργοποίηση του, αλλά αυτό ασκεί σημαντική πίεση στα θερμαντικά στοιχεία μέσω της θερμικής ανακύκλωσης. Κάθε φορά που ανάβει και σβήνει ο θερμαντήρας, τα εσωτερικά εξαρτήματα υφίστανται θερμικό σοκ από την απότομη αλλαγή θερμοκρασίας. Σε κρυογονικές εφαρμογές με μεγάλες θερμικές μάζες και ακραίες διαφορές θερμοκρασίας, ο έλεγχος on-απενεργοποίησης προκαλεί επιθετική ανακύκλωση που επιταχύνει τη φθορά του υλικού. Διαφορετικές προσεγγίσεις ελέγχου που μειώνουν τη συχνότητα ανακύκλωσης παρατείνουν σημαντικά τη διάρκεια ζωής του θερμαντήρα.
Ο αναλογικός έλεγχος μειώνει τη θερμική καταπόνηση μεταβάλλοντας την παροχή ισχύος αντί να ενεργοποιείται και να απενεργοποιείται πλήρως. Αντί για απότομες διακυμάνσεις που δημιουργούν θερμικές κλίσεις και μηχανικές καταπονήσεις, τα θερμαντικά στοιχεία προσαρμόζουν τη θερμοκρασία σταδιακά. Η φάση-η πυροδότηση με γωνία ή η ριπή πυροδότησης μπορούν να αλλάξουν τα επίπεδα ισχύος χωρίς να αλλάξουν τη θερμοκρασία της διαδικασίας, μειώνοντας τη μηχανική καταπόνηση στα εξαρτήματα του θερμαντήρα και στις δομές στήριξης.
Ο συντονισμός του αλγορίθμου ελέγχου PID απαιτεί κρυογονικές-ειδικές εκτιμήσεις που δεν περιλαμβάνουν οι συμβατικές προσεγγίσεις. Οι τυπικές διαδικασίες συντονισμού που λειτουργούν σε θερμοκρασία περιβάλλοντος συχνά έχουν κακή απόδοση σε κρυογονικές καταστάσεις, προκαλώντας ασταθή ταλάντωση ή υποτονική απόκριση. Σε πολύ χαμηλές θερμοκρασίες, το κέρδος διεργασίας, οι σταθερές χρόνου και οι νεκροί χρόνοι διαφέρουν σημαντικά επειδή οι ιδιότητες του υλικού και τα χαρακτηριστικά μεταφοράς θερμότητας αλλάζουν. Οι εξειδικευμένες διαδικασίες συντονισμού που αναπτύχθηκαν για κρυογονικές εφαρμογές βελτιστοποιούν την απόδοση του ελέγχου.
Η θεμελιώδης πρόκληση έγκειται στο πώς συμπεριφέρονται τα θερμικά συστήματα σε κρυογονικές θερμοκρασίες. Η ίδια η θερμάστρα αποκρίνεται σε δευτερόλεπτα αφού έχει πολύ μικρή θερμική μάζα. Το κρυογονικό ρευστό ή το ψυχρό συστατικό, το οποίο έχει σημαντική θερμική ικανότητα, ανταποκρίνεται σε λίγα λεπτά. Η θέση του αισθητήρα-στο θερμαντήρα, στο ψυχόμενο εξάρτημα ή κάπου μεταξύ-καθορίζει ποια θερμοκρασία ελέγχεται πραγματικά. Κάθε επιλογή παράγει διαφορετικά χαρακτηριστικά σταθερότητας.
Ο έλεγχος του αισθητήρα-ενεργοποιημένος-του θερμαντήρα ανταποκρίνεται γρήγορα, αλλά δεν διατηρεί αποτελεσματικά τη θερμοκρασία της διεργασίας σταθερή. Η θερμοκρασία του θερμαντήρα κυμαίνεται επειδή ο ελεγκτής πρέπει να αντισταθμίσει την καθυστερημένη απόκριση της διαδικασίας. Αυτό μπορεί να προκαλέσει θερμική καταπόνηση και υπέρβαση. Αυτή η διαμόρφωση ταιριάζει σε καταστάσεις όπου η προστασία του θερμαντήρα έχει μεγαλύτερη σημασία από τον ακριβή έλεγχο της διαδικασίας. Ο έλεγχος διαδικασίας-ενεργός-αισθητήρας στοχεύει την πραγματική θερμοκρασία σημείου ρύθμισης αλλά εισάγει αργή απόκριση. Ο ελεγκτής αντιλαμβάνεται τις αλλαγές θερμοκρασίας αργά και κάνει μεγάλες διορθώσεις-εάν τα κέρδη είναι πολύ υψηλά, προκύπτει ταλάντωση. Εάν τα κέρδη είναι πολύ χαμηλά, εμφανίζεται χρόνια αντιστάθμιση. Η σημαντική θερμική υστέρηση καθιστά δύσκολο τον συντονισμό PID και τα αποτελέσματα είναι συνήθως μη ικανοποιητικά.
Η αρχιτεκτονική ελέγχου Cascade αντιμετωπίζει αυτό το πρόβλημα αποτελεσματικά. Ένας εσωτερικός βρόχος ελέγχει γρήγορα τη θερμοκρασία του θερμαντήρα, μειώνοντας τη θερμική καταπόνηση και βελτιώνοντας την απόρριψη των διαταραχών. Ένας εξωτερικός βρόχος ελέγχει τη θερμοκρασία διεργασίας αλλάζοντας προοδευτικά το σημείο ρύθμισης του εσωτερικού βρόχου για τη διατήρηση της σταθερότητας. Αυτή η δομή εξυπηρετεί τον εγγενή διαχωρισμό της κλίμακας χρόνου στα κρυογονικά συστήματα. Ο προγνωστικός έλεγχος μοντέλου αντιπροσωπεύει μια πιο προηγμένη επιλογή. Ο ελεγκτής ενσωματώνει ένα θερμικό μοντέλο του θερμαντήρα, της μόνωσης και του κρύου στοιχείου που προβλέπει αλλαγές θερμοκρασίας τα επόμενα λεπτά. Οι προσαρμογές ισχύος προβλέπουν μελλοντικές ανάγκες αντί να διορθώνουν τα τρέχοντα σφάλματα.
Τα γεγονότα μετάβασης φάσης προσθέτουν πολυπλοκότητα στις εφαρμογές θέρμανσης με άζωτο. Καθώς το υγρό μετατρέπεται σε αέριο, η ροή δύο-φάσεων δημιουργεί σημαντικά διαφορετικές συνθήκες μεταφοράς θερμότητας. Οι αισθητήρες θερμοκρασίας μπορεί να διαβάζουν τη θερμοκρασία υγρού, τη θερμοκρασία των ατμών ή κάτι ενδιάμεσο ανάλογα με τη θέση και τα μοτίβα ροής. Τα συστήματα ελέγχου πρέπει να χειρίζονται αυτή τη μεταβλητότητα χωρίς να γίνονται ασταθή. Η επιτόπια εμπειρία δείχνει ότι οι μέθοδοι προσαρμοστικού ελέγχου καθιστούν πιο εφικτή τη σταθερότητα της κρυογονικής θερμοκρασίας. Ο ελεγκτής προσαρμόζει αυτόματα τις παραμέτρους καθώς αλλάζει η θερμοκρασία-είτε ψύξη, διατήρηση ή θέρμανση. Αυτή η προσαρμογή διατηρεί την απόδοση σε όλους τους τρόπους λειτουργίας που δεν μπορούν να διαχειριστούν σταθερές παράμετροι.
Για λειτουργίες σε μείον 120 μοίρες και κάτω, η στρατηγική ελέγχου πρέπει να ταιριάζει με τη μοναδική θερμική δυναμική της εφαρμογής. Ένα σύστημα θέρμανσης φυσιγγίων με ακατάλληλο συντονισμό ελέγχου θα αποτύχει πρόωρα ανεξάρτητα από την ποιότητα του ίδιου του θερμαντήρα.
