CN102609016A - 大型臂式离心机试验舱的温度控制装置及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型臂式离心机试验舱的温度控制装置及控制方法。制冷风机经通风机后，一路经排气道从试验舱的一侧上端接入，另一路经进风道从试验舱的一侧下端接入，通风机上接有温度传感器，以上构成风冷却子系统；或者冷却塔的一端经制冷水机、阀门和进水管从试验舱的另一侧上端接入，冷却塔的另一端经水泵、另一阀门、集水箱和排水管从试验舱的另一侧下端接入，集水箱上接有温度传感器，以上构成水冷却子系统；试验舱内接有温度传感器。两个子系统同时接入试验舱内，通过可编程控制器，能达到水气联合冷却的目的和效果。具有两个系统既可独立或联合运行的特点，使装置的功效达到最佳；能调节试验舱内的温度，提高离心试验的可靠度和精度。

Description

大型臂式离心机试验舱的温度控制装置及控制方法

技术领域

本发明涉及一种温度控制方法及装置，尤其是涉及一种大型臂式离心机试验舱的温度控制装置及控制方法。

背景技术

土工离心机是一种大型高速旋转的机械设备，利用离心机产生的离心加速度模拟重力加速度，离心力场模拟地球重力场，在模型中再现原型构筑物的自重应力，是土工试验的有效方法。

土工臂式离心机一般由转台、转臂和吊篮等主要部件组成，其中转臂和吊篮为旋转部件。放置上述部件的空间统称为试验舱，该舱为一圆筒形建筑物，直径一般为6~20m，高约2~4m。离心机工作时，转臂和吊篮等部件高速旋转，舱内空气随着转臂和吊篮高速流动而产生大量热量，这些热量随试验时间的延长在试验舱内积累，引起舱内温度不断升高。升高的温度恶化舱内仪器的工作环境，直接影响测试结果的准确性和可靠性；热量也会传递到试验模型，导致模型基本性质的改变，降低研究成果可靠性。因此，在建设大型离心机时采取措施控制试验舱内温度是设计人员必须重视的是问题。

大型离心机试验舱内温度控制按工作方式可分为自然式和强制式。自然式多采用空气冷却，试验舱与周边大气环境联通，离心机旋转时从试验舱中心吸入外界空气，循环后从试验舱周边排出，带走舱内热量。该方式需要在试验舱内设置进气和排气窗口，方法简单、造价较低等优点，但试验舱内的温度受周边环境影响大，舱内温度不能根据试验要求设定和调整。强制冷却方式是通过辅助设备输入冷空气或冷却水来降低舱内温度。这种方式要求试验舱相对密闭，确保冷却效果。强制冷却一般以空气或水为热交换介质，称为强制风冷和强制水冷方式。强制风冷方式在试验舱设置进气口和排气口，并用通风管道与之相连，系统工作时通过风机将冷空气直接送入试验舱，带走舱内热量从而降低舱内温升。强制风冷方式所需设备简单，对试验舱温度有一定的调节能力。强制水冷方式在舱壁设置金属管线或夹层，通过水泵往舱壁内输入冷却水，通过冷却水与舱内空气实现热交换降低舱内的温度。由于靠近舱壁附近的空气流速最快，产生的热量最大，舱壁附近的温升也最高，因此水冷方式产生很好的冷却效果。强制水冷方式调节试验舱温度能力强，但该方法长期运行成本高。

可见，离心机试验舱温度是离心模型试验中需要严格控制的条件，不同试验对试验舱温度提出不同控制要求。目前，土工离心机向多功能方向发展，需要满足不同离心试验对环境的要求。试验舱降温系统针对不同要求有较好的适应能力。

发明内容

本发明的目的在于提供了一个土工离心机试验舱温度控制方法和装置，该方法能针对不同试验对环境温度的要求，自动调节，提供适合的降温方式，从而达到满足多类型土工离心模型试验要求，降低试验总运行成本的目标。

本发明采用的技术方案是：

一、一种大型臂式离心机试验舱的温度控制装置：

制冷风机经通风机后，一路经排气道从试验舱的一侧上端接入，另一路经进风道从试验舱的一侧下端接入，通风机上接有排气口温度传感器，以上构成风冷却子系统；或者冷却塔的一端经制冷水机、阀门和进水管从试验舱的另一侧上端接入，冷却塔的另一端经水泵、另一阀门、集水箱和排水管从试验舱的另一侧下端接入，集水箱上接有集水箱温度传感器，以上构成水冷却子系统；试验舱内接有试验舱温度传感器。

所述的风冷却子系统和水冷却子系统同时接入试验舱内。

二、一种大型臂式离心机试验舱的温度控制方法：

在试验舱的两侧分别接入风冷却子系统和水冷却子系统构成复合冷却系统，该复合冷却系统在投入运行前应设定温度参数，分别为舱内温度t1，排气口温度t2，集水箱温度t3；其工作流程有如下四个步骤：

步骤1）当舱内测量温度tc低于设置舱内温度t1时，冷却系统不投入运行，当舱内测量温度tc高于设置舱内温度t1后首先通风机启动运行，通过进风道将外部空气送入离心机试验舱，此时若舱内温升停止则系统维持在通风机工作状态。

步骤2）试验舱内温度继续升高，导致排气道出口的温度也继续升高，当排气道出口的温度tk大于设定值排气口温度t2后，制冷风机投入运行，通风机将冷风送入试验舱内，此时若试验舱温升停止则系统维持在制冷风机和通风机同时工作状态。

步骤3）随着离心机转速继续加快，试验舱内的温度也会升高，当试验舱内测量温度tc设置舱内温度t1的差值大于5℃后，水泵和冷却塔投入运行，冷却水通过进水管进入舱壁不锈钢夹层，舱壁的温度会随之下降，进而带动试验舱内的温升降下来，保持了舱内的温度稳定。此时的冷却水是经过冷却塔冷却的水，然而冷却塔的工作方式为自然降温冷却，效果受环境影响很大。

步骤4）上述三种冷却措施均不能降低试验舱内的温升后，排气道出口的温度会继续升高，同时流回集水箱内的水温也会随着升高，当集水箱测量温度ts大于集水箱温度t3后，制冷水机投入运行，制冷水通过管道进入不锈钢夹层，此时舱壁温度会下降明显，试验舱内温度也会被带动下降，保持试验舱内的设定温度。

本发明具有的有益效果是：

本发明将风冷却子系统和水冷却子系统为两个独立的冷却系统再通过可编程控制器（PLC）联系在一起，也能达到水气联合冷却的目的和效果。该种方式具有两个冷却系统既可独立运行工作，也可联合运行的特点，使装置的功效达到最佳；能在一定范围内任意调节试验舱内的温度，提高离心试验的可靠度和精度，该发明具有结构简单、温度调节力度大、自动控制调节等特点。

附图说明

图1是本发明的结构原理图。

图2是本发明的联合冷却控制图。

图3是本发明的联合冷却工作流程图。

图中：1、制冷风机，2、通风机，3、外进气口，4、外排气口，5、排气口温度传感器，6、排气道，7、不锈钢夹层，8、不锈钢内衬，9、试验舱，10、舱壁，11、进水管，12、制冷水机，13、冷却塔，14、水泵，15、阀门，16、集水箱，17、集水箱温度传感器，18、排水管，19、试验舱温度传感器，20、集水沟，21、进风道。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，制冷风机1经通风机2后，一路经排气道6从试验舱9的一侧上端接入，另一路经进风道21从试验舱9的一侧下端接入，通风机2上接有排气口温度传感器5，以上构成风冷却子系统；或者冷却塔13的一端经制冷水机12、阀门和进水管11从试验舱9的另一侧上端的内部舱壁10接入，冷却塔13的另一端经水泵14、另一阀门15、集水箱16和排水管18从试验舱9的另一侧下端的内部舱壁10接入，集水箱16上接有集水箱温度传感器17，以上构成水冷却子系统；试验舱9内接有试验舱温度传感器19。7为试验舱的不锈钢夹层，8为试验舱的不锈钢内衬，试验舱底部开有集水沟20；通风机2上有外进气口3和外排气口4。

所述的风冷却子系统和水冷却子系统可以同时接入试验舱9内。

如图2所示，两个子系统通过可编程控制器（PLC）和测量传感器等有机的结合成水气联合冷却系统。通过风冷却和水冷却的联合作用，有效地控制了离心机试验舱的温度，保证了离心试验的可靠和数据的准确。

冷却系统通过可编程控制器（PLC）设定系统工作步骤与程序，其工作内容包括：1通过初始温度设定分别设定试验舱、排气道出口和集水箱温度；2通过测量模块分别进行试验舱、排气道出口和集水箱温度测量；3对初始设定温度和测量温度进行比较计算，根据计算结果通过控制驱动模块分别驱动通风机、制冷风机、水泵、制冷水机等相应的设备运行。

下面结合图3的应用实例对发明原理，具体结构和工作工程作进一步说明。

在离心机运行前，首先根据试验要求确定温度控制的标准，若离心机低速运转，温控标准又较低可设定两个系统单独投入运行。若温度控制标准较高，则必须投入水冷和气冷复合联动运行。

在试验舱的两侧分别接入风冷却子系统和水冷却子系统构成复合冷却系统，该复合冷却系统在投入运行前应设定温度参数，分别为舱内温度t1，排气口温度t2，集水箱温度t3；其工作流程有如下四个步骤：

步骤1）当舱内测量温度tc低于设置舱内温度t1时，冷却系统不投入运行，当舱内测量温度tc高于设置舱内温度t1后首先通风机启动运行，通过进风道将外部空气送入离心机试验舱，此时若舱内温升停止则系统维持在通风机工作状态。

步骤2）试验舱内温度继续升高，导致排气道出口的温度也继续升高，当排气道出口的温度tk大于设定值排气口温度t2后，制冷风机投入运行，通风机将冷风送入试验舱内，此时若试验舱温升停止则系统维持在制冷风机和通风机同时工作状态。

步骤3）随着离心机转速继续加快，试验舱内的温度也会升高，当试验舱内测量温度tc设置舱内温度t1的差值大于5℃后，水泵和冷却塔投入运行，冷却水通过进水管进入舱壁不锈钢夹层，舱壁的温度会随之下降，进而带动试验舱内的温升降下来，保持了舱内的温度稳定。此时的冷却水是经过冷却塔冷却的水，然而冷却塔的工作方式为自然降温冷却，效果受环境影响很大。

步骤4）上述三种冷却措施均不能降低试验舱内的温升后，排气道出口的温度会继续升高，同时流回集水箱内的水温也会随着升高，当集水箱测量温度ts大于集水箱温度t3后，制冷水机投入运行，制冷水通过管道进入不锈钢夹层，此时舱壁温度会下降明显，试验舱内温度也会被带动下降，保持试验舱内的设定温度。

上述复合联动工作方式经运行效果明显，在一定的温度范围内可随意控制试验舱内的温度，对保证科学试验取到良好作用。

Claims (3)

1.一种大型臂式离心机试验舱的温度控制装置，其特征在于：制冷风机（1）经通风机（2）后，一路经排气道（6）从试验舱（9）的一侧上端接入，另一路经进风道（21）从试验舱（9）的一侧下端接入，通风机（2）上接有排气口温度传感器（5），以上构成风冷却子系统；或者冷却塔（13）的一端经制冷水机（12）、阀门和进水管（11）从试验舱（9）的另一侧上端接入，冷却塔（13）的另一端经水泵（14）、另一阀门、集水箱（16）和排水管（18）从试验舱（9）的另一侧下端接入，集水箱（16）上接有集水箱温度传感器（17），以上构成水冷却子系统；试验舱（9）内接有试验舱温度传感器（19）。

2.根据权利要求1所述的一种大型臂式离心机试验舱的温度控制装置，其特征在于：所述的风冷却子系统和水冷却子系统同时接入试验舱（9）内。

3.用于权利要求1所述装置的一种大型臂式离心机试验舱的温度控制方法，其特征在于：在试验舱的两侧分别接入风冷却子系统和水冷却子系统构成复合冷却系统，该复合冷却系统在投入运行前应设定温度参数，分别为舱内温度t1，排气口温度t2，集水箱温度t3；其工作流程有如下四个步骤：

步骤1）当舱内测量温度tc低于设置舱内温度t1时，冷却系统不投入运行，当舱内测量温度tc高于设置舱内温度t1后首先通风机启动运行，通过进风道将外部空气送入离心机试验舱，此时若舱内温升停止则系统维持在通风机工作状态；

步骤2）试验舱内温度继续升高，导致排气道出口的温度也继续升高，当排气道出口的温度tk大于设定值排气口温度t2后，制冷风机投入运行，通风机将冷风送入试验舱内，此时若试验舱温升停止则系统维持在制冷风机和通风机同时工作状态；

步骤3）随着离心机转速继续加快，试验舱内的温度也会升高，当试验舱内测量温度tc设置舱内温度t1的差值大于5℃后，水泵和冷却塔投入运行，冷却水通过进水管进入舱壁不锈钢夹层，舱壁的温度会随之下降，进而带动试验舱内的温升降下来，保持了舱内的温度稳定，此时的冷却水是经过冷却塔冷却的水，然而冷却塔的工作方式为自然降温冷却，效果受环境影响很大；

步骤4）上述三种冷却措施均不能降低试验舱内的温升后，排气道出口的温度会继续升高，同时流回集水箱内的水温也会随着升高，当集水箱测量温度ts大于集水箱温度t3后，制冷水机投入运行，制冷水通过管道进入不锈钢夹层，此时舱壁温度会下降明显，试验舱内温度也会被带动下降，保持试验舱内的设定温度。

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