CN102156492B - 一种用于大空间试验室的温度控制系统 - Google Patents

一种用于大空间试验室的温度控制系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种大空间试验室温度控制系统,包括两侧壁风道、顶部风道、冷风机、电加热器、制冷机、冷却盘管。两侧壁风道下端开有回风口,在两侧壁风道内,回风口上方均安装有冷风机、冷风机下方均设置有冷却盘管,冷却盘管与侧壁风道外的制冷机相连。冷风机上方设置有电加热器。侧壁风道与顶部风道相通,顶部风道上开有送风孔。大空间试验室的内壁面采用金属材料或在内壁面上设置金属冷板,且在大空间的壁面上涂有保温材料,使冷量损失减小。本发明的优点在于:通过冷风机对大空间试验室降温,通过微调电加热器对环境温度的精确控制;通过顶部风道上的送风孔,使大空间试验室中温差更小,还可促进冷风与空间中空气的良好换热,使温度均匀性更好。

Description

一种用于大空间试验室的温度控制系统
技术领域
本发明涉及温度控制领域,具体来说,是一种用于大空间试验室的温度控制系统。
背景技术
在工业迅猛发展的当今社会,科技的进步都是以科学实验为依据的,而往往很多实验无法直接利用自然界中的环境或者自然界环境条件下的实验效率很低,这就需要人工建立试验室来完成科学研究,进而应用到实际生产,生活当中去。中国军事标准GJB150.1A-2009《军用装备试验室环境试验方法》、美国军用标准MIL-STD-810F及最新的美国军用标准MIL-STD-810G中对环境试验室内温度的通用要求为“各个测点的温度均不应超过规定温度的±2℃。试件不工作时其周围的温度梯度不应超过1℃/m,且总温差不应超过2.2℃”。然而,实际的实验中可能对温度的控制及温度均匀度的控制有更高的要求,需要达到更高的控制精度。特别是实验空间非常大的时候,温度控制有较大难度。因此有必要对特大空间的温度控制进行研究,以保证更加真实地模拟所需环境,进而获得更有效的实验数据。
温度控制就是实现环境的温度均匀,稳定和准确的控制。随着空间的加大,温度控制的难度就会越大,因此一些小型空间内的温度控制方法不适用于大型空间里的温度控制。大型空间里的温度控制就是要保证空间内的空气换热量基本一致,因此就需要在通风和传热方面尽可能实现空气温度的均匀性要求,同时减少空气与外界的换热,进而减小特大空间的温差。本发明正是从以上几个角度出发,实现对特大空间的温度控制的。
而目前对大空间试验室降温后,试验室内温度的均匀性通常都难以实现,一般都是冷风机附近温度与远离风机的部分有温度差。
发明内容
针对上述问题,本发明的目的是提供一种可以保证大空间试验室内温度的精确度和均匀度要求的温度控制系统。
本发明一种用于大空间试验室的温度控制系统,在大空间试验室内设置有侧壁风道A、侧壁风道B、顶部风道、冷风机、电加热器及冷却盘管。
其中,大空间试验室的顶部安装有顶部风道,大空间试验室内侧壁上相对设置有侧壁风道A与侧壁风道B,侧壁风道A与侧壁风道B与顶部风道相通;所述侧壁风道A与侧壁风道B的下端开有回风口,侧壁风道A与侧壁风道B内水平方向上均匀安装有至少一个冷风机;侧壁风道A与侧壁风道B内还设置有冷却盘管与电加热器,其中,冷却盘管设置在冷风机下方,且每一个冷风机下方对应设置有一个冷却盘管,每一个冷却盘管均穿过侧壁风道A与侧壁风道B外壁,与大空间试验室外部的制冷机相连接。电加热器位于冷风机上方,每一个冷风机上方对应设置有一个可调的电加热器,所述顶部风道均匀布置有送风孔。
所述大空间试验室内壁面为金属材料或混凝土材料,大空间试验室内壁面为金属材料时,在大空间试验室外壁上安装保温材料;当大空间试验室内壁为混凝土材料时,在大空间试验室内壁上安装保温材料,在保温材料的内侧安装玻璃钢板,且玻璃钢板内侧通过固定挂架支撑金属冷板。
本发明的优点在于:
1、本发明温度控制系统在风道内设置了冷风机,直接实现了对特大空间的降温,且在冷风机的上方设置一个可调节的电加热器,由此通过微度调节实现对环境温度的精确控制;
2、本发明温度控制系统在大空间顶部设置了顶部风道,且在顶部风道上均匀开有送风孔,由此可实现整个特大空间试验室内冷量的均匀输送,从而使特大空间中温差更小;还可以促进冷风与空间中空气的良好换热,可以使温度均匀性更好;
3、本发明温度控制系统中的大空间试验室的内壁面采用金属材料或在内壁上设置金属冷板,由此可实现热量迅速的传递,利用金属壁面或金属冷板良好的导热性能及较大的热容量,使壁面的温度均匀,实现了温度的均匀性控制;且在在大空间的壁面上涂有保温材料,可以使冷量的损失减小。
附图说明
图1是本发明温度控制系统中大空间试验室内部结构剖视图;
图2是本发明温度控制系统中金属内壁的大空间试验室壁面剖视图;
图3是本发明温度控制系统中混凝土内壁的大空间试验室壁面剖视图;
图4是应用本发明温度控制系统在大空间试验室进行降温试验,考察室内温度控制效果及温度均匀性时测试点分布图;
图5是应用本发明温度控制系统在大空间试验室内进行降温试验,目标温度为-10℃时,测点Ta的降温曲线图;
图6是应用本发明温度控制系统在大空间试验室内进行降温试验,目标温度为-10℃时,测点Tb的降温曲线图;
图7是应用本发明温度控制系统在大空间试验室内进行降温试验,目标温度为-20.5℃时,测点Ta的降温曲线图;
图8是应用本发明温度控制系统在大空间试验室内进行降温试验,目标温度为-20.5℃时,测点Tb的降温曲线图。
图中:
1-大空间试验室   101-侧壁风道A    102-侧壁风道B    103-顶部风道
104-冷风机       105-电加热器     106-冷却盘管     107-制冷机
108-回风口       109-送风孔       2-保温材料        3-玻璃钢板
4-固定挂架       5-金属冷板
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明一种用于大空间试验室的温度控制系统,在大空间试验室1为圆柱形结构设置有侧壁风道A101、侧壁风道B102、顶部风道103、冷风机104、电加热器105、冷却盘管106。其中,大空间试验室1的顶部固定安装有顶部风道103。大空间试验室1内侧壁上相对设置有垂直于水平面的侧壁风道A101与侧壁风道B102,侧壁风道A101与侧壁风道B102与大空间试验室1内侧壁贴合且与顶部风道103相通,如图1所示。
所述侧壁风道A101与侧壁风道B102的下端开有回风口108,侧壁风道A101与侧壁风道B102内水平方向均匀安装有至少一个冷风机104,侧壁风道A101与侧壁风道B102内的冷风机104相互对称。侧壁风道A101与侧壁风道B102内还设置有冷却盘管与电加热器,其中,冷却盘管106设置在冷风机104下方,且每一个冷风机104下方对应设置有一个冷却盘管106,每一个冷却盘管106均穿过侧壁风道A101与侧壁风道B102外壁,与大空间试验室1外部的制冷机107相连接。电加热器105位于冷风机上方,每一个冷风机104上方对应设置有一个可调的电加热器105,且每一个电加热器105由外部的自动控制系统控制其温度的调节,实现温度的精确控制。所述制冷机107用来向冷却盘管106内提供低温工质,用于与室内空气换热降温,并将吸收了试验室内空气热量的制冷剂输送回制冷机,工质在制冷剂组的冷凝器内放热,重新获得低温工质,实现制冷循环,即实现制冷剂的循环,并获得冷量使空气降温。所述顶部风道103的下表面上设计有均匀布置的送风孔109,顶部风道103中的风可通过送风孔109进入到大空间试验室1中,实现大空间试验室1内的均匀送风,实现温度的均匀性控制。
如图2所示,本发明中大空间试验室1内壁采用金属材料,可作为金属冷板实现热量迅速的传递,利用金属壁面良好的导热性能及较大的热容量,使壁面的温度均匀,实现了温度的均匀性控制。且在大空间试验室1外壁上安装有保温材料2,有效减少了大空间试验室1内部的冷量损失,且不会占用大空间试验室1内部空间,更有利于充分利用大空间试验室1内部空间。所述保温材料2为聚氨酯硬泡,它具有粘结力强;保温隔热性好;防水性能好;整体密封、无空腔无缝粘结,适应各种形状基面;尺寸稳定性小,具有一定的韧性,延伸率大,不会开裂;有很强的抗风揭性;阻燃性好。因此保温材料2可有效减少试验室1内部的冷量损失,利于大空间试验室1内各子系统的安装、调试、维修,而且还不存在大空间试验室1内水渗入保温材料2、降低保温性能及影响保温结构寿命的问题。
若大空间试验室1内壁为混凝土材料时,由于混凝土材料的导热性能差,为避免试验室内出现温度不均匀的现象,需采用金属冷板5和内保温方案,即在大空间试验室1内壁上安装保温材料2,并在保温材料2内侧设置玻璃钢板3,该玻璃钢板3用于保护保温材料。在玻璃钢板3内侧通过固定支架4固定金属冷板5,金属冷板5有良好的导热性能及较大的热容量,可实现热量迅速的传递,使壁面的温度均匀,实现了温度的均匀性控制。
大空间试验室1内的空气通过冷风机104的泵入作用,由侧壁风道A101与侧壁风道B102下端的回风口108进入到侧壁风道A101与侧壁风道B102中。冷风机104与冷风盘管106通过与外部制冷机107相连,对侧壁风道A101与侧壁风道B 102中的空气进行制冷,使空气温度降到所需环境温度以下。通过电加热器105对降温后的空气进行温度的微调,可以使用手动或自动对电加热器105进行调节电加热器的功率,使侧壁风道A101与侧壁风道B 102内的空气温度升高达到所需温度,最终经过顶部风道103下表面的送风孔109送入道大空间试验室1内,实现空气的均匀换热。
在半径为22m、高为34m的大空间试验室1内布置两个测温点Ta、Tb,其中Ta设置在侧壁风道A101上,位于侧壁风道A101的回风口处,Tb在大空间试验室1设置在在侧壁风道B102上,位于侧壁风道B102的回风口处,且Tb位置高于Ta位置。
为了测试大空间试验室1内的温度均匀性,因此在大空间试验室1中15m高度处水平方向上均匀布置10个温度测点,在大空间试验室1内中心竖直方向上均匀布置10个温度测点,如图4所示。
从图5及图6中可以看出,设置大空间试验室1内初始温度为-4℃,目标温度为-10℃,降温50分钟后达到目标温度-10℃,为了稳定大空间试验室1内的温度,外部制冷机107继续工作,启动电加热器105(最大可用功率57.6kW),实现大空间试验室1内的精确控温。如图5所示,从50分钟到120分钟的控温期间,Ta的最高温度为-9.83℃,最低为-10.20℃,最高与最低温度之间相差0.37℃;Tb的最高温度为-9.86℃,最低为-10.27℃,最高与最低温度之间相差0.41℃。由此可看出,大空间试验室内的温度控制在一个较为精确地范围(<±0.5℃)。
从图7及图8中可以看出,设置是大空间试验室1内初始温度为-6℃,目标温度为-20.5℃,降温约579分钟后到达目标温度-20.5℃。在制冷机开启大约579分钟之后,Ta的最高温度为-20.27℃、最低温度为-20.45℃,最高与最低温度之间相差0.18℃;Tb的最高温度为-20.41℃、最低温度-20.52℃,最高与最低温度之间相差0.11℃。由此可看出,大空间试验室1内温度控制在一个较为精确的范围(<±0.5℃)。
设置大空间试验室1内初始温度为-4℃,目标温度为-10℃时,开始降温后第60分钟时,大空间试验室1内竖直中心线上10个测点的温度值。由下表1中测量结果可看出,最高温度-10.1℃、最低温度-10.3℃,与设定值最大偏差0.3℃,垂直方向温度均匀性良好,不均匀度小于0.5℃。
  测点   T1   T2   T3   T4   T5
  温度/℃   -10.3   -10.3   -10.2   -10.1   -10.2
  测点   T6   T7   T8   T9   T10
  温度/℃   -10.1   -10.0   -10.1   -10.0   -10.1
(初始温度为-4℃,目标温度-10℃,第60分钟)
表1大空间试验室内中心竖直方向10个测点温度
设置大空间试验室1内初始温度为-4℃,目标温度为-10℃时,开始降温后第60分钟时,大空间试验室1中15m高处水平方向10个测点的温度值。由下表2中测量结果可看出,最高温度-9.9℃、最低温度-10.2℃,与设定温度最大偏差0.2℃,表明大空间试验室1内水平方向温度均匀性好,不均匀度小于0.5℃。
  测点   T11   T12   T13   T14   T15
  温度/℃   -10.0   -10.0   -10.2   -10.1   -10.2
  测点   T16   T17   T18   T19   T20
  温度/℃   -10.1   -9.9   -10.0   -10.1   -9.9
(初始温度为-4℃,目标温度-10℃,第60分钟)
表2大空间试验室内15m高水平方向各测点温度
设置大空间试验室1内初始温度为-4℃,目标温度-20.5℃时,开始降温后600分钟时,大空间试验室1内中心竖直方向10个测点的温度值,由下表3中测量结果可看出,最高温度-20.4℃、最低温度-20.8℃,与设定温度最大偏差0.3℃,大空间试验室1内竖直方向温度均匀性好,不均匀度小于0.5℃。
  测点   T1   T2   T3   T4   T5
  温度/℃   -20.7   -20.8   -20.4   -20.5   -20.7
  测点   T6   T7   T8   T9   T10
  温度/℃   -20.8   -20.6   -20.7   -20.5   -20.5
(初始温度为-4℃,目标温度-20.5℃,第600分钟)
表3大空间试验室内中心竖直方向10个测点温度
设置大空间试验室1内初始温度为-4℃,目标温度-20.5℃时,开始降温后600分钟时,大空间试验室1内15m高处水平方向10个测点的温度值。由下表4中测量结果可看出,最高温度-20.5℃、最低温度-20.8℃,与设定温度最大偏差0.3℃,水平方向温度均匀性好,不均匀度小于0.5℃。
  测点   T11   T12   T13   T14   T15
  温度/℃   -20.5   -20.5   -20.6   -20.5   -20.8
  测点   T16   T17   T18   T19   T20
  温度/℃   -20.7   -20.5   -20.6   -20.6   -20.6
(初始温度为-4℃,目标温度-20.5℃,第600分钟)
表4大空间试验室内15m高水平方向各测点温度
采用本发明温度控制系统,在进行初始温度为-4℃,目标温度为-10℃时的降温控制时,在达到目标温度后,试验停机20分钟,此时大空间试验室1内中心竖直方向各测点温度,由下表5可看出,各测点温度依然保持良好的均匀度且保温效果良好,小于1℃。
  测点   T1   T2   T3   T4   T5
  温度/℃   -9.6   -9.8   -9.7   -9.7   -9.9
  测点   T6   T7   T8   T9   T10
  温度/℃   -9.7   -9.6   -9.7   -9.7   -9.8
(达到目标温度-10℃后,停机20分钟时)
表5大空间试验室内中心竖直方向各测点温度
  测点   T11   T12   T13   T14   T15
  温度/℃   -19.6   -20.1   -20.3   -19.9   -20.4
  测点   T16   T17   T18   T19   T20
  温度/℃   -20.1   -20.1   -19.9   -20.0   -20.1
(达到目标温度-20.5℃,停机20分钟时)
表6大空间试验室内中心垂直方向各测点温度
通过上述降温试验,表明本发明大空间试验室1降温控制系统降温速率、温度均匀性、最低制冷温度均,在室内温度达到预定温度的同时,室内两点Ta与Tb间温度差小于1℃。

Claims (5)

1.一种用于大空间试验室的温度控制系统,包括大空间试验室,其特征在于:在大空间试验室内设置有侧壁风道A、侧壁风道B、顶部风道;在侧壁风道A与侧壁风道B内均设置有冷风机、电加热器、冷却盘管;
其中,大空间试验室的顶部安装有顶部风道,大空间试验室内侧壁上相对设置有侧壁风道A与侧壁风道B,侧壁风道A与侧壁风道B与顶部风道相通;所述侧壁风道A与侧壁风道B的下端开有回风口,侧壁风道A与侧壁风道B内的冷风机至少为一个,且在侧壁风道A与侧壁风道B内水平方向上均匀安装;侧壁风道A与侧壁风道B内还设置有冷却盘管与电加热器,其中,冷却盘管设置在冷风机下方,且每一个冷风机下方对应设置有一个冷却盘管,每一个冷却盘管均穿过侧壁风道A与侧壁风道B外壁,与大空间试验室外部的制冷机相连接;电加热器位于冷风机上方,每一个冷风机上方对应设置有一个可调的电加热器,所述顶部风道均匀布置有送风孔;
所述大空间试验室内壁面为金属材料或混凝土材料,大空间试验室内壁面为金属材料时,在大空间试验室外壁上安装保温材料;当大空间试验室内壁为混凝土材料时,在大空间试验室内壁上安装保温材料,在保温材料的内侧安装玻璃钢板,且玻璃钢板内侧通过固定挂架支撑金属冷板。
2.如权利要求1所述一种用于大空间试验室的温度控制系统,其特征在于:所述侧壁风道A与侧壁风道B垂直于水平面。
3.如权利要求1所述一种用于大空间试验室的温度控制系统,其特征在于:所述侧壁风道A与侧壁风道B内的冷风机相互对称。
4.如权利要求1所述一种用于大空间试验室的温度控制系统,其特征在于:所述顶部风道下表面上均匀布置有送风孔。
5.如权利要求1所述一种用于大空间试验室的温度控制系统,其特征在于:所述保温材料为聚氨酯硬泡。
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