CN102705905B - 一种用于环境模拟试验的空气处理方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于环境模拟试验的空气处理方法和系统，系统包括依次串联设置的湿度调节单元和温度调节单元；所述温度调节单元包括依次设置的制冷单元和加热单元；所述制冷单元包括制冷管路和用于对制冷管路进行降温、用于将气体冷却的制冷装置；加热单元包括加热管路和用于对加热管路进行升温、将气体加热至需要温度的加热装置；制冷管路与加热管路串联。系统采用温湿度独立控制的思路，先调节湿度，然后调节温度；由于湿度优先调节，后期制冷时空气中无结露现象，制冷的蒸发换热器始终处于干工况，不需要在单独设置冷凝水排放装置。

Description

一种用于环境模拟试验的空气处理方法和系统

技术领域

本发明涉及一种温度、流量等参数可调节的干燥气体供气系统。

背景技术

环境模拟实验系统，人工气候室，环境试验舱以及综合试验室等均为一类为不同的装置和设备提供模拟真实工作状况的试验环境系统。这些试验环境系统都需要进行处理的空气，而且对于空气的各种具体参数，如温度、湿度、压力、流量以及洁净度等等都有严格的要求。现有技术中还没有温度、流量和压力均可精确调节的供气系统。

通常使用的试验系统对于温度、湿度、压力和流量的同时调节基本没有，该系统是基于特殊的用途提出的，由于系统的空气湿度调节是对全部气体，而湿度调节之后，空气流量、压力的变化会耦合到温度的波动上，因此后期的温度、流量和压力调节实际上是非常复杂的。

现有的空调系统的温度和湿度一般都是一起调节，这样必需设置冷凝水回收装置，空调系统的空气压力不需要调节，流量的调节也达不到精确的程度。此外，目前工业系统中的空气处理系统，其制冷的方式都是采用空气膨胀制冷。空气膨胀制冷系统虽然能节省一部分功，但是其制备的空气温度一般都在零下40，甚至更低，这种系统在低温时有明显的优势，但是其噪音较大，一般远离工业供气现场，但是这样带来的一个问题是处理好的空气要输送，这又不可避免的带来空气温度压力的波动，难以实现温度的压力的精确控制。

发明内容

本发明的目的是提供一种温度、流量等参数可精确调节的干燥空气供气系统和方法，用于为模拟试验环境提供符合要求的空气。下文中所述气体包括空气。

为实现上述目的，本发明的系统方案是：一种用于环境模拟试验的空气处理系统，该系统包括依次串联设置的湿度调节单元和温度调节单元；所述温度调节单元包括依次设置的制冷单元和加热单元；所述制冷单元包括制冷管路和用于对制冷管路进行降温、用于将气体冷却的制冷装置；加热单元包括加热管路和用于对加热管路进行升温、将气体加热至需要温度的加热装置；制冷管路与加热管路串联。

所述空气处理系统还包括压力处理单元，压力处理单元包括在温度调节单元之前的一级减压阀和在温度调节单元之后的二级减压阀。

所述空气处理系统还包括流量调节单元，流量调节单元包括设置在温度调节单元之前管路上的第一电动三通调节阀和设置在温度调节单元之后管路上的第二电动三通调节阀；所述第一电动三通调节阀的一个出口用于泄流，另一个出口连接温度调节单元入口，所述第二电动三通调节阀的一个出口用于泄流，另一个出口通过出口调节阀组分别连接至少两个供气管路。

所述制冷装置包括至少一个制冷机组，两级以上的制冷机组串联设置；加热装置为一个电加热器。

所述空气处理系统还包括现场控制柜，现场控制柜中设有用于测量气体管路中温度、压力和流量，并且输出控制所述湿度调节单元、温度调节单元和流量调节单元中执行设备的计算机测控系统。

本发明的方法方案：一种空气处理方法，包括如下步骤，首先进行湿度调节，然后再进行温度调节，温度调节包括：首先进行制冷，将气体冷却，然后再进行加热，将气体加热到所需要的温度。

在温度调节前后进行压力调节，在温度调节前进行压力粗调，在温度调节后进行压力微调。

在温度调节前后进行流量调节，在流量调节后根据流量计的有效测量范围进行分级输送。

本发明采用串联的制冷单元与加热单元，根据需要启动制冷和/或加热，实现空气温度的精确调节；系统简单，调节方便。

本发明的系统采用温湿度独立控制的思路，先调节湿度，然后调节温度；由于湿度优先调节，后期制冷时空气中无结露现象，制冷的蒸发换热器始终处于干工况，不需要在单独设置冷凝水排放装置。

温度调节采用制冷和加热方式，每一级制冷的空气温度固定，温度的调节是通过控制电加热的功率来实现；压力的精确调节是由温度调节前后两个调压阀控制，一级调压阀采用手动调压阀粗调，二级调压阀采用电动调压阀精调。

本发明采用流量分级输送的方式，可以设置两级或多级，主要取决于每一级供气流量范围，这么做是因为流量计的有效测量范围是有限的，流量的分级输送，主要由所测量管路的流量计的有效测量范围决定。

流量的精确控制是由温度调节前后两个电动三通阀放气量的间接测量控制，放气的时候加上消音装置。

附图说明

图1是本发明的系统结构图； 

图2是温度调节单元控制结构图； 

图3是压力调节控制结构图；

图4是流量调节单元控制结构图；。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。

方法实施例

首先对压缩气体进行除尘、除油和干燥处理（湿度调节）；然后对干燥处理后的气体进行温度调节处理和流量调节处理；所述温度调节处理包括：将所述干燥处理后的气体依次经过制冷处理和加热处理，得到所需求温度的气体。该方法还包括压力调节处理，压力调节处理包括：在温度调节处理前后均进行减压处理。所述流量调节处理通过泄流方式进行，包括：在温度调节处理之前首先进行流量粗调，在温度调节处理之后进行流量微调。所述除尘、除油和干燥处理由吸附干燥机和除油过滤器进行。首先进行制冷，将气体冷却到，然后再进行加热，将气体加热到所需要的温度。在温度调节前后进行压力调节，在温度调节前进行压力粗调，在温度调节后进行压力微调。在温度调节前后进行流量调节，在流量调节后根据流量计的有效测量范围进行分级输送。

从空压机出来的气体一般温度较高，为基准温度，当需要温度与基准温度相同时，制冷和加热单元均不工作。

系统实施例

如图1所示的一种空气处理系统，该系统包括初步调节单元、温度调节单元和流量调节单元；制冷单元包括制冷管路和用于对制冷管路进行降温的制冷装置；加热单元包括加热管路和用于对加热管路进行升温的加热装置；制冷管路与加热管路串联；加热管路出口连接流量调节单元的入口。空气处理系统还包括压力处理单元，压力处理单元包括在温度调节单元之前的一级减压阀和在温度调节单元之后的二级减压阀。流量调节单元包括设置在温度调节单元之前管路上的第一电动三通调节阀（图中电动三通调节阀1）和设置在温度调节单元之后管路上的第二电动三通调节阀（图中电动三通调节阀2）；第一电动三通调节阀的一个出口用于泄流，另一个出口连接温度调节单元入口，第二电动三通调节阀的一个出口用于泄流，另一个出口通过出口调节阀组分别连接至少两个供气管路。制冷装置包括至少一个制冷机组，加热装置为一个电加热器。空气处理系统采用计算机测控系统，控制核心采用PLC，如图所示，PLC采样气体管路中各主要节点的温度、压力和流量（通过相关传感器），PLC根据这些信息相应控制各执行设备，如空压机、制冷机组、电加热器，流量阀等。

在图1中空气调节系统在运行过程中，空压机产生的高压气体，经过除尘、除水、除油之后送入储气罐，吸附干燥机组接收来自储气罐的高压气体进行深度除湿，经过除湿的气体需要进行气体压力、流量的粗调节，以适应气体的温度调节以及后继的压力、流量精调节要求，一旦气体的温度调节完成，开始进行气体压力、流量的精确调节，从而满足试验气体的湿度、粉尘、温度、压力、流量要求。

根据图1-图4具体介绍如下：

湿度调节单元，或者说初步调节单元，采用微热再生吸附干燥机，采用一级吸附干燥机联合超精密除油过滤器可以达到-45℃的露点温度。

温度调节单元采取空气降温装置和空气升温装置串联工作模式。温度调节采用制冷和加热方式，每一级制冷的空气温度固定，温度的调节是通过控制电加热的来实现；也就是说首先制冷单元将其他冷却至一个温度，然后根据实际需要将该温度的气体进行加热，加热到所需要的温度。本实施例中，空气降温装置由两级制冷装置组成，一级制冷主要承担使空气由25℃降低到0℃左右所需制冷负荷；二级制冷主要承担使空气由0℃降低到-20℃左右所需制冷负荷。空气升温装置由电加热器组成，可以承担由0℃到100℃的升温负荷，蒸发器、空气加热器部件设计成风道式空气处理腔体，两端加装法兰连接，内部设置调整空气流动方向、分布均匀性的导流板和布风板，导流板的弧度和导流长度以及布风板的开孔率需经过计算流体动力学分析之后确定。在图2中气体温度的检测由入口气体温度检测传感器1、制冷后气体温度检测传感器2和出口气体温度检测传感器3完成。温度调节的执行机构为两级制冷机和一级空气加热器组成，采取串接方式，即：两级制冷机的蒸发器和空气加热器串联连接。控制器采用PLC及其扩展模块、功率放大及隔离模块等辅助电路组成。

流量调节单元可实现试验气体分四级向模拟舱输出，四级范围为：一级：5～20kg/h；二级：20～80kg/h；三级：80～200kg/h；四级：200～450kg/h。该流量调节系统由流量传感器、电动三通调节阀1、电动三通调节阀2、手动调节阀1-5及检测与控制电路组成。调节过程分两个阶段：第一阶段为系统总流量的控制，根据试验气体流量要求，由PLC控制电动三通调节阀1的开度大小，通过调节三通分流阀门向外放气的流量，实现供气总流量的粗调节。第二阶段为供气流量的精确调节，该阶段拟采用自动和手动两种方式对供气流量进行调节。自动方式下，用户依据供气流量要求将对应管路的手动调节阀全开，根据流量传感器检测的供气流量值，由PLC实时控制电动三通调节阀2通向供气管道的开度大小，即可实现供气流量自动调节。在图4中第一阶段为系统总流量的控制，根据试验气体流量要求，由PLC控制电动三通调节阀1的开度大小，通过调节三通分流阀门向外放气的流量，实现供气总流量的粗调节。第二阶段为供气流量的精确调节，该阶段拟采用自动和手动两种方式对供气流量进行调节。自动方式下，用户依据供气流量要求将对应管路的手动调节阀全开，根据流量传感器检测的供气流量值，由PLC实时控制电动三通调节阀2通向供气管道的开度大小，即可实现供气流量自动调节。手动方式下，由手动调节阀调节供气流量，通过对应管道上流量传感器的检测，实时调节电动三通调节阀2的开度，使之与供气管道所需流量相适应。

压力调节单元通过在温度控系统前后设置减压阀，前级减压阀为手动减压阀，根据系统要求将压力粗调至要求范围，此阀门压力一旦设定，一般不再调整，压力精确调节主要依靠后级电动减压阀，该减压阀可以根据控制系统设定的压力，实时调整。该单元的主要功能是精确调节系统的沿程气体压力和最终的使用压力。在图3中出口气体的压力为0.10MPa～0.15MPa，由计算机测控系统实时检测压力值，经过算法计算后输出模拟量，实现对电动减压阀的闭环自动控制。

计算机测控系统主要基于PC机、PLC及扩展模块和辅助电路等外围设备, 完成系统气体温度、压力、流量的信号采集、处理及实时控制。关于测控系统，可采用现有技术中成熟的测控系统，所以在此不再赘述。

两个具体的例子：

气体流量为200kg/h，用户要求控制温度为-10℃。

计算机自动检测温度处理箱体的入口气体温度值，经过除湿的气体其温度基本维持在25℃（高压气体经过湿度调节单元之后的空气温度基本上恒定在这个温度点），为气体温度控制系统的入口温度，精确值可通过温度传感器1检测。此时用户要求温度为-10℃时，根据逻辑判断，需要开启制冷机。因一级制冷仅可达到0℃，由计算机系统输出控制信号，启动二级制冷机，二级制冷温度下降至-20℃附近，计算机对此时温度处理箱体的出口气体温度进行精确检测，与设定值-10℃进行比较，根据参数自整定PID控制算法，输出代表所需加热功率的PWM信号，动态调整空气加热器的加热功率，闭环控制过程直至达到用户要求温度为止。

气体流量为20kg/h，用户要求控制温度为60℃

计算机自动检测温度处理箱体的入口气体温度值，由于用户要求温度为60℃，根据逻辑判断，不需要开启制冷机，只需要对空气加热器的功率调整来调节温度即可。因此计算机对温度处理箱体的出口气体温度进行检测，与设定值60℃进行比较，根据参数自整定PID控制算法，输出代表所需加热功率的PWM信号，控制空气加热器的加热功率，闭环控制过程直至达到用户要求温度为止。

Claims (4)

1.一种用于环境模拟试验的空气处理系统，其特征在于，该系统包括依次串联设置的湿度调节单元和温度调节单元；所述温度调节单元包括依次设置的制冷单元和加热单元；所述制冷单元包括制冷管路和用于对制冷管路进行降温、用于将气体冷却的制冷装置；加热单元包括加热管路和用于对加热管路进行升温、将气体加热至需要温度的加热装置；制冷管路与加热管路串联；所述空气处理系统还包括压力处理单元，压力处理单元包括在温度调节单元之前的一级减压阀和在温度调节单元之后的二级减压阀；

所述空气处理系统还包括流量调节单元，流量调节单元包括设置在温度调节单元之前管路上的第一电动三通调节阀和设置在温度调节单元之后管路上的第二电动三通调节阀；所述第一电动三通调节阀的一个出口用于泄流，另一个出口连接温度调节单元入口，所述第二电动三通调节阀的一个出口用于泄流，另一个出口通过出口调节阀组分别连接至少两个供气管路。

2.根据权利要求1所述的一种用于环境模拟试验的空气处理系统，其特征在于，所述制冷装置包括至少一个制冷机组，两级以上的制冷机组串联设置；加热装置为一个电加热器。

3.根据权利要求2所述的一种用于环境模拟试验的空气处理系统，其特征在于，所述空气处理系统还包括现场控制柜，现场控制柜中设有用于测量气体管路中温度、压力和流量，并且输出控制所述湿度调节单元、温度调节单元和流量调节单元中执行设备的计算机测控系统。

4.一种空气处理方法，其特征在于，包括如下步骤，首先进行湿度调节，然后再进行温度调节，温度调节包括：首先进行制冷，将气体冷却，然后再进行加热，将气体加热到所需要的温度，其中制冷的空气温度固定；

在温度调节前后进行压力调节，在温度调节前进行压力粗调，在温度调节后进行压力微调；

在温度调节前后进行流量调节，在流量调节后根据流量计的有效测量范围进行分级输送。