CN101520665B - 采用冷热抵消方法获取瞬变温度液体的控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种温度控制技术领域的采用冷热抵消方法获取瞬变温度液体的控制方法，由连续工作的制冷机组与PID温度控制器调节的制冷侧电加热器配合产生低于环境温度的液体介质；随后液体介质采用计算机控制的两级电加热器加热，第一级电加热器加热量随时间而变化，其出口的液体温度也随时间而改变，实现温度连续可调，第二级电加热器进一步加热，抵消制冷机组的制冷功率。第一级电加热器、第二级电加热器的加热量与液体在用户端损耗的热量之和等于制冷机组的制冷功率，从而实现制冷机组的连续运行，并在两级电加热器之间形成温度快速变化的液体介质。本发明能获得温度随时间的变化率可达2℃/min以上的液体，控制简单，精度高。

Description

采用冷热抵消方法获取瞬变温度液体的控制方法

技术领域

本发明涉及的是一种自动控制技术领域的方法，具体地说，涉及的是一种采用冷热抵消方法获取瞬变温度液体的控制方法。

背景技术

很多工业过程与场合都涉及到使用温度快速变化的液体，通常要求是液体温度变化快速并可连续调节，同时由自动控制程序可实现对不同温度变化规律的控制。目前获得变温液体的方式通常是使用不同温度液体的混合方式。

经对现有技术的文献检索发现，混合方式(参见专利93202791.1：油井井口掺水温度自动装置)是采用一股低温液体与另一股高温液体进行混合，通过控制混合两股液体的流量比例进行调节出口温度。该种方式原理简单、容易实现，只需要一个可加热到恒定高温的储液罐与一台出口温度为低温的制冷机组即可。该方法的缺点在于，两股流体的流量控制不易精确实现，而且控制流量比例的机构成本高；另外，利用混合液体比例的方法产生的变温液体，其温度随时间的变化比较缓慢，又往往与液体管路的长度、管道直径以及液体流动速度有很大关系，不易精确控制。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种采用冷热抵消方法获取瞬变温度液体的控制方法，通过温度从低温到高温快速变化的液体，取代原有的液体混合方法，具有易于实现、可靠性高、控制方法简单等特点。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明采用两级电加热器加热液体，通过控制两级电加热器的加热功率，在抵消连续运行的制冷机组的制冷量的同时，获得温度随时间快速变化的液体。由连续工作的制冷机组与PID温度控制器调节的制冷侧电加热器配合产生低于环境温度的液体介质；随后液体介质采用计算机控制的两级电加热器加热，先经过第一级电加热器，第一级电加热器加热量随时间而变化，其出口的液体温度也随时间而改变，实现温度连续可调，然后液体介质经过第二级电加热器进一步加热，抵消制冷机组的制冷功率。第一级电加热器、第二级电加热器的加热量与液体在用户端损耗的热量之和等于制冷机组的制冷功率，从而实现制冷机组的连续运行，并在两级电加热器之间形成温度快速变化的液体介质。

本发明包括如下步骤：

步骤一：将制冷侧增压泵的进口连接到绝热储液罐的一个出口，制冷侧增压泵的出口连接到制冷机组的进口，液体应用侧增压泵进口通过储液罐连接到第一级电加热器进口，开启制冷侧增压泵与液体应用侧增压泵，为闭合液体循环提供动力。制冷侧的作用是产生目标温度为T0的恒温液体，存储在绝热储液罐中；液体应用侧利用储液罐中的恒温液体，通过两级电加热器进行加热控制，在变温液体应用部件中形成温度为f(t)变化的液体。

步骤二：开启制冷机组，直到绝热储液罐中液体温度降低到PID温度控制器的目标温度T0。制冷机组出口通过制冷侧电加热器连接到储液罐入口，形成闭合液体回路，绝热储液罐储存温度经制冷侧调整的液体，并维持在目标温度T0。

步骤三：检测制冷侧电加热器出口的液体温度T1，并比较T1是否与目标温度T0相等。当制冷机组稳定运行后，应有T1＝T0。如T1＝T0条件不满足，则继续运行制冷机组与制冷侧电加热器；制冷侧电加热器由PID温度控制器控制其加热量，最终可使其出口的液体温度稳定在T0。如T1＝T0得到满足，则进入步骤四。

步骤四：开启第一级电加热器与第二级电加热器。液体应用侧增压泵泵出的液体流到第一级电加热器，液体依次流过第一级电加热器、变温液体应用部件、第二级电加热器、三通阀，再此过程中经第一级电加热器与第二级电加热器加热。

步骤五：计算机根据设定的目标温度曲线T＝f(t)，其中t为时间，利用能量守恒方程换算得出第一级电加热器和第二级电加热器的加热功率。

步骤五中，采用比例开环控制策略控制第一级电加热器和第二级电加热器的加热功率。利用步骤四中叙述的液体流动顺序，通过调节第一级电加热器与第二级电加热器的加热量，实现液体温度的快速变化。

步骤六：检测是否需要停止的信号。如果否，则继续循环至步骤五，根据目标设定曲线进行加热控制；如果是需要停止，则依次进入步骤七和步骤八。

步骤七：关闭第一级电加热器和第二级电加热器；

步骤八：关闭制冷机组；

步骤九：关闭制冷侧增压泵和液体应用侧的增压泵；

至此，冷热抵消原理产生变化温度场的控制流程全部完成。

本发明采用制冷机组与电加热器配合进行冷热对冲，同时获得快速变温液体。液体介质在制冷系统中获得一恒定的低温，并由绝热储液罐储存；3台大功率、小流量的电加热器相配合，通过使用控制策略，获得变化温度的液体。使用本发明获得的变温液体，其温度可实现精确、快速地控制，具有从低于环境温度到高于环境温度的温度调节范围。该方法易于实现，具有可靠性高、控制方法简单、温度调节范围广等特点。

使用本发明的技术方案，能够获得温度快速可调的液体，其温度随时间的变化率可达2℃/min以上，控制方法简单，控制得到的精度高；此外，使用计算机控制，还可以实现按程序控制温度变化曲线。本发明可应用于对各种场合的变温液体控制，包括仪器校正、科研实验以及其他对温度变化要求较高的工业场合。

附图说明

图1为本发明实施例使用的系统结构图。

图2为本发明实施例的流程图。

图3为本发明的一个具体实施效果图。

图中：制冷机组1，制冷侧电加热器2，第一级电加热器7，第二级电加热器9，PID温度控制器3，绝热储液罐4，制冷侧增压泵5，液体应用侧增压泵6，变温液体应用部件8，三个闸阀10、11、12，三通阀13，球阀14，流量计15。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，为本实施例使用的系统结构图，包括制冷机组1，制冷侧电加热器2，第一级电加热器7，第二级电加热器9，PID温度控制器3，绝热储液罐4，制冷侧增压泵5，液体应用侧增压泵6，变温液体应用部件8，三个闸阀10、11、12，三通阀13，球阀14，流量计15。储液罐4和管路中流动的是液体介质。

制冷机组1出口与制冷侧电加热器2的进口相连接，制冷侧电加热器2由PID温度控制器3控制其发热量，可控制进入储液罐4的液体温度恒定。制冷机组1的进口与三通阀13相连接，三通阀13的一个进口端通过第一闸阀11与制冷侧增压泵5出口相连接，制冷侧增压泵5进口与储液罐4底部相连接，将储液罐4中的低温液体加压泵出；三通阀13的另一进口端通过第二闸阀12与第二级电加热器9的出口相连接。液体应用侧增压泵6将储液罐4中的温度恒定的液体加压后，与第一级电加热器7的进口相连接，第一级电加热器7出口与变温液体应用部件8进口相连接。变温液体应用部件8出口与第二级电加热器9的进口相连接。第一闸阀10的进口与第二液体泵6的出口相连接，第一闸阀10的出口与储液罐4相连接，起旁通调节流量的作用。球阀14与储液罐4相连接，起补液作用。球阀14起开关作用，三通阀13起到混合液体作用，三个闸阀10、11、12的作用均为调节流量。

所述的变温液体应用部件8，可以是高效换热器，或是能够利用变温液体产生温度场的其他换热部件，其作用是将温度快速变化的液体温度传递给需要的部件或场合。

如图2所示，采用图1所示的系统，本实施例首先启动液体泵5、6运行，随后启动制冷机组1。运行一段时间后不断检测绝热储液罐4的进口温度，也就是制冷侧电加热器出口的温度T1，并与目标温度T0相对比。若T1≠T0，则说明液体还未完全冷却，继续运行制冷机组1与电加热器2；反之若T1＝T0，说明绝热储液罐4中的液体已经完全冷却至T0温度，可以进行下一步操作。由于电加热器2采用了PID温度控制器3控制其出口温度，故能够保证运行一段时间后T1一定可以降低至与T0相等。

当满足条件T1＝T0后，开启第一级电加热器7和第二级电加热器9的电源并进入下一步的加热量控制。按照预先设定好的温度变化数据，计算出第一级和第二级电加热器7和9的加热功率并采用计算机开环比例控制。这样可实现在系统各部件连续运行的条件下，获得温度为f(t)的变温液体。

当系统需要结束时，首先关闭第一级电加热器7和第二级电加热器9的电源，随后关闭制冷机组1与制冷侧电加热器2的电源，最后关闭制冷侧增压泵5和液体应用侧增压泵6。

采用图1所示的系统，本实施例涉及的采用冷热抵消方法获取瞬变温度液体的控制方法，具体包括如下步骤：

步骤一：开启制冷侧增压泵5和液体应用侧增压泵6，使液体充满制冷机组1以及所有管路；

步骤二：开启制冷机组1，以使绝热储液罐4中的液体温度降低。

步骤三：检测制冷机组1后制冷侧电加热器2出口的液体温度T1是否与设定的目标温度T0相等。如T1＝T0条件不满足，则继续运行制冷机组1与制冷侧电加热器2；如T1＝T0得到满足，则进入步骤四。

步骤四：开启第一级电加热器7和第二级电加热器9。

步骤五：计算机根据设定的目标温度曲线T＝f(t)，(其中t为时间)，经过式(b)和式(c)换算得出第一级电加热器7和第二级电加热器9的加热功率各为Q7和Q9。

步骤六：检测是否需要停止的信号，如果否，则继续循环至步骤五，根据目标设定曲线进行加热控制；如果是需要停止，则依次进入步骤七和步骤八。

步骤七：关闭第一级电加热器7和第二级电加热器9；

步骤八：关闭制冷机组1；

步骤九：关闭制冷侧增压泵5和液体应用侧增压泵6；

至此，冷热抵消原理产生变化温度场的控制流程全部完成。

以上描述了整个系统的运行控制方法，其中涉及到的控制方程主要为能量守恒方程，其详细描述见下。

式(a)表示的是制冷侧的制冷量Qc、制冷机组的制冷量Qr与电加热器2的加热量Qe之间的关系。所谓制冷侧的制冷量是指制冷机组产生的制冷量经过电加热器2的热量对冲，剩余的一部分制冷量。采用这种冷热对冲是采用了加热器2的加热量可连续调节而制冷机组不便于连续调节的缘故。在PID调节到最低时，电加热器2仍产生基本加热量Qe，这样在制冷机组在制冷量波动时可由电加热器2进行调节，保证输入储液罐的液体温度T1恒定与T0相等，从而使出口温度的控制更加精确。

Qc＝Qr-Qe              (a)

其中：

Qr是制冷机组的制冷量，kW；

Qe是电加热器2在PID调节到最低时的加热量，即基本加热量，kW。

式(b)(c)分别表示的是控制电加热器7和9的加热功率Q7和Q9的计算方程，其中Qu代表变温液体在应用部件中消耗的热功率，由式(d)表示。电加热器7出口为目标温度曲线f(t)，进口为恒定的低温T0，故电加热器的加热功率可以由其进出口温差与液体质量流量和液体热容的乘积计算得出。同时，由于电加热器9主要起到平衡制冷量的作用，故在控制其加热功率时，需要综合考虑制冷侧制冷量、电加热器7的加热量与变温液体应用部件8消耗热量，由(c)式计算。

Qu为变温液体在其变温液体应用部件8中消耗的热功率，其计算也是通过温差与液体质量热容以及液体质量流量的乘积得出，如式(d)所示。

Q7＝c*m*[f(t)-T0]             (b)

Q9＝Qc-Q7-Qu                  (c)

Qu＝c*m*[T2-f(t)]             (d)

式中：

c为液体的质量比热容，kJ/(kg.℃)；

m为液体的质量流量，kg/s；

Qc为制冷机组的制冷量与PID控制的电加热器(2)热功率之差，kW；

Qu为变温液体在其应用部件8过程中消耗的热功率，kW；

T2为变温液体应用部件8出口的液体温度，℃；

以上两电加热器7和9的控制均采用开环比例控制策略，即计算机输出信号与电加热器的加热功率成系数为k的正比例关系。

质量流量计15用于测量管路中液体质量流速m，供控制部分参考。

如图3中的曲线为获得的变温液体温度变化曲线。图中的横轴为时间(单位：分钟)，纵轴为温度值(单位：℃)。其控制目标是高温35℃、低温5℃的脉冲温度变化，其变化周期为8分钟。从图3的温度曲线看出，控制效果与控制目标误差在±0.3℃内。上述温度变化率为7.5℃/分钟。

Claims (1)

1.一种采用冷热抵消方法获取瞬变温度液体的控制方法，其特征在于：由连续工作的制冷机组与PID温度控制器调节的制冷侧电加热器配合产生低于环境温度的液体介质，随后液体介质采用计算机控制的两级电加热器加热，第一级电加热器加热量随时间而变化，其出口的液体温度也随时间而改变，实现温度连续可调，第二级电加热器进一步加热，抵消制冷机组的制冷功率，其中第一级电加热器、第二级电加热器的加热量与液体在用户端损耗的热量之和等于制冷机组的侧制冷量，从而实现制冷机组的连续运行，并在两级电加热器之间形成温度快速变化的液体介质，所述控制方法具体包括以下步骤：

步骤一：将制冷侧增压泵的进口连接到绝热储液罐的一个出口，制冷侧增压泵的出口连接到制冷机组的进口，液体应用侧增压泵将储液罐中的温度恒定的液体加压后，与第一级电加热器的进口相连接，开启制冷侧增压泵与液体应用侧增压泵为闭合液体循环提供动力；

步骤二：开启制冷机组，直到绝热储液罐中液体温度降低到设定的温度T0，制冷机组出口通过制冷侧电加热器连接到绝热储液罐入口，形成闭合液体回路，绝热储液罐储存温度经制冷侧调整的液体，并维持在温度T0；

步骤三：检测制冷侧电加热器出口的液体温度T1，并比较T1是否与设定温度T0相等，当制冷机组稳定运行后，有T1＝T0，如T1＝T0条件不满足，则继续运行制冷机组与制冷侧电加热器，采用PID温度控制器控制制冷侧电加热器加热量，最终使其出口的液体温度稳定在T0，如T1＝T0得到满足，则进入步骤四；

步骤四：开启第一级电加热器与第二级电加热器，液体应用侧增压泵泵出的液体依次流过第一级电加热器、变温液体应用部件、第二级电加热器、三通阀，再此过程中经第一级电加热器与第二级电加热器加热；

步骤五：计算机根据设定的目标温度曲线T＝f(t)，其中t为时间，利用能量守恒方程换算得出第一级电加热器和第二级电加热器的加热功率；

步骤五中，采用比例开环控制策略控制第一级电加热器和第二级电加热器的加热功率，利用步骤四中叙述的液体流动顺序，通过调节第一级电加热器与第二级电加热器的加热量，实现液体温度的变化；

步骤六：检测是否需要停止的信号，如果否，则继续循环至步骤五，根据目标设定曲线进行加热控制；如果是需要停止，则依次进入步骤七和步骤八；

步骤七：关闭第一级电加热器和第二级电加热器；

步骤八：关闭制冷机组；

步骤九：关闭制冷侧增压泵和液体应用侧的增压泵；至此，冷热抵消原理产生变化温度场的控制全部完成；

所述的能量守恒方程是指：Qc＝Qr-Qe，其中：Qr是制冷机组的制冷量，kW；Qe是电加热器在PID调节到最低时的加热量，即基本加热量，kW；

所述的比例开环控制策略是指：

1)Q7＝c*m*[f(t)-T0]；

2)Q9＝Qc-Q7-Qu；

3)Qu＝c*m*[T2-f(t)]；

其中：Q7和Q9分别为电加热器的加热功率；c为液体的质量比热容，kJ/(kg.℃)；m为液体的质量流量，kg/s；Qc为制冷机组的制冷量与PID控制的电加热器热功率之差，kW；Qu为变温液体在其应用部件过程中消耗的热功率，kW；T2为变温液体应用部件出口的液体温度，℃。

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