CN105022429B - 以气体作为传热介质的回热式闭式调温系统及其温控方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种以气体作为传热介质的回热式闭式调温系统及其温控方法，能够避免系统中的加热器和液氮流量调节阀频繁交替启动造成的温度控制难以达到平衡的问题。该系统中循环风机出口管路依次连接水冷换热器、二通道回热器的其中一个通道后分为并联的两路，一路依次连接加热截止阀和加热器，另一个路依次连接通用截止阀、气液混合器和制冷截止阀，然后两路合为一路，接着依次连接传感器、热沉、二通道回热器的另一个通道后回到循环风机入口，形成闭式管路；液氮储槽出口管路分为两路，一路经由汽化器连接循环风机的出口管路，另一路经过液氮流量调节阀为气液混合器提供冷量；循环风机入口连接排空阀；该闭式管路中进一步设置多路温度传感器。

Description

以气体作为传热介质的回热式闭式调温系统及其温控方法

技术领域

本发明涉及航空航天领域内环境模拟设备的温控技术，尤其涉及一种以气体作为传热介质的回热式闭式调温系统及其温控方法。

背景技术

航天器热真空试验是在地面模拟的空间真空压力和热应力环境下进行的模拟试验，其高低温环境是采用具有一定温度的热沉通过辐射热交换实现，为了获得高低温环境的要求，必须要求空间环境模拟设备内的热沉系统控制在试验所需的特定温度，在用气体作为导热循环介质的回热式闭式空间环境模拟设备的热沉控温系统中，就需要很好的配合加热器升温和液氮制冷才能达到精准的温度控制。因加热器和液氮制冷分布式工作控制比较困难，现有温控系统绝大多数将加热器和制冷管道串联到同一个控温系统中，在高低温控制过程中，采用冷热对冲等控制方法实现温度的平衡，这不仅大大的浪费了资源，还容易造成温度很难达到平衡稳定的控制要求。还有一部分直接应用液氮沸腾模式+加热笼、太阳模拟器等实现冷热对冲来达到特定温度的控制要求。此种控制方法虽然能够实现热真空、热平衡实验中特定温度的控制要求，但从资源方面讨论实为不经济的。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种以气体作为传热介质的回热式闭式调温系统及其温控方法，避免系统中的加热器和液氮流量调节阀频繁交替启动造成的温度控制难以达到平衡的问题，同时也杜绝了因为冷热对冲造成的资源浪费。

为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的：

一种以气体作为传热介质的回热式闭式调温系统，包括：循环风机、排空阀、二通道回热器、水冷换热器、液氮流量调节阀、气液混合器、通用截止阀、加热截止阀、制冷截止阀、加热器、压力传感器、热沉、液氮储槽和汽化器；

循环风机出口管路依次连接水冷换热器、二通道回热器的其中一个通道后分为并联的两路，一路依次连接加热截止阀和加热器，另一个路依次连接通用截止阀、气液混合器和制冷截止阀，然后两路合为一路，接着依次连接传感器、热沉、二通道回热器的另一个通道后回到循环风机入口，形成闭式管路；

液氮储槽出口管路分为两路，一路经由汽化器连接循环风机的出口管路，另一路经过液氮流量调节阀为气液混合器提供冷量；循环风机入口连接排空阀；

该闭式管路中进一步设置加热器出口温度传感器、加热器中心温度传感器、热沉进口温度传感器、循环风机进口温度传感器、二通道回热器出口温度传感器以及气液混合器出口温度传感器；

该系统还包括控制模块，用于实施调温控制，该控制模块连接各传感器、需要控制的阀门和加热器。

本发明还提供了一种如权利要求所述以气体作为传热介质的回热式闭式调温系统的温控方法，包括加热过程和降温过程；

控制模块开始控制后，最初按照Tsp-Tpv>0进行判断，如果该条件满足，则判定进入加热过程；反之，判定进入为降温过程；其中，Tsp是设定的热沉温度，Tpv是由热沉内部传感器获得的热沉内部温度反馈值；

在降温过程中，如果出现Tsp-Tpv>允许范围上限T0的情况，则进入加热过程，反之停留在降温过程，继续进行Tsp-Tpv>允许范围上限T0的判断；

在加热过程中，如果出现Tsp-Tpv<允许范围下限即-T0的情况，则进入降温过程，反之停留在加热过程，继续进行Tsp-Tpv<允许范围下限即-T0的判断；

在加热过程中，气液混合器后端的通用截止阀、制冷截止阀和液氮流量调节阀始终关闭，加热截止阀打开，加热器开始工作；气体从循环风机的出口开始经过水冷换热器、二通道回热器一个通道、加热器、热沉、二通道回热气另一通道返回循环风机，如此往复循环；

在降温过程中，加热器后端的加热截止阀始终关闭，所述气液通用截止阀、制冷截止阀和液氮流量调节阀打开，加热器停止工作；气体从循环风机的出口开始经过水冷换热器、二通道回热器一个通道进入气液混合器与液氮流量调节阀进来的液氮混合，混合后低温的气体经过热沉、二通道回热气另一通道返回循环风机，如此往复循环；

在加热过程和降温过程中，循环风机始终保持工作状态，压力传感器采集闭式管路的当前压力，当闭式管路中压力超过压力范围底线时，排空阀保持关闭，氮气通过液氮储槽、经过汽化器、补充到循环风机的出口，在闭式管路压力超过压力范围上线时，排空阀被控打开完成泄压，使闭式管路始终保持恒定压力。

在降温过程中的控制优选方案包括：

在降温过程中，将热沉进口温度记为Ta，则当Ta-Tsp＞3℃时，控制模块控制排空阀保持打开状态；当Ta-Tsp≤3℃时，比较压力传感器获得的管路压力和设定的闭式管路绝对压力优选值，如果管路压力大于闭式管路绝对压力优选值，则控制排空阀打开进行泄压，否则，压力不足，控制排空阀关闭。

在降温过程中，控制模块在热沉的反馈温度达到热沉设定温度Tsp附近设定范围时，检测气液混合器出口温度传感器显示值和热沉进口温度传感器显示值的温差值，如果温差值超过允许温差范围上限，则关闭液氮流量调节阀，限制降温过程中的超调。

在加热过程中的控制优选方案包括：

在加热过程中，当加热器单位时间内的温度变化值大于设定温度变化速率β时，降低加热器的加热功率。

在加热过程中，当加热器中心温度传感器和加热器出口温度传感器之差超过设定差值门限△1时，控制模块限制加热器的加热功率。

在加热过程中，当热沉进口温度与加热器中心温度之差超过设定差值门限△2时，控制模块降低加热器的加热功率。

此外，当热沉进口温度与热沉设定温度Tsp之差小于设定小值ε时：在加热过程中，限制加热器加热功率；在降温过程中，限制液氮流量调节阀的开度以控制制冷功率。

当循环风机进口温度超过设定风机进口温度门限T3时，风机停止工作，并报警。

二通道回热器出口温度传感器实时反应二通道回热器进行热交换的工作效率，根据热交换的工作效率进行运行状态的监控。

有益效果：

本发明的温度控制系统中同时存在加热装置和液氮制冷装置，加热装置和液氮制冷装置并联，其中一个工作时，另外一个被截止，且采用保持型接通延时定时器原理进行控制，防止加热器9和液氮流量调节5阀频繁交替启动，造成温度控制难以达到平衡。

同时系统加热和降温是两个独立的过程，杜绝了因为冷热对冲造成的资源浪费。

附图说明

图1为本发明以气体作为传热介质的回热式闭式调温系统的原理图。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本发明提供了一种以气体作为传热介质的回热式闭式调温系统，如图1所示，该系统包括循环风机1、排空阀2、二通道回热器3、水冷换热器4、液氮流量调节阀5、气液混合器6、通用截止阀7、加热截止阀10、制冷截止阀8、加热器9、压力传感器11、热沉12、液氮储槽13和汽化器14。

循环风机1出口管路依次连接水冷换热器4、二通道回热器3的其中一个通道后分为并联的两路，一路依次连接加热截止阀10、加热器9，另一个路依次连接通用截止阀7、气液混合器6、制冷截止阀8，然后两路合为一路，接着依次连接传感器11、热沉12、二通道回热器3的另一个通道后回到循环风机1入口，形成闭式管路。

液氮储槽13出口管路分为两路，一路经由汽化器14连接循环风机1的出口管路，另一路经过液氮流量调节阀5为气液混合器6提供冷量；循环风机1入口连接排空阀2。

该闭式管路中进一步设置加热器出口温度传感器15、加热器中心温度传感器16、热沉进口温度传感器17、循环风机进口温度传感器18、二通道回热器出口温度传感器19以及气液混合器出口温度传感器20。

该系统由控制模块实施调温控制，该控制模块连接各传感器、需要控制的阀门和加热器。

其中，上述系统采用氮气或空气作为循环介质，当管路中压力过低时，氮气通过液氮储槽13、经过汽化器14、补充到循环风机1的出口，使闭式管路始终保持一个恒定的压力。不管是加热还是降温过程，汽化器14和循环风机1出口连接的此管路作用就是为了给循环管路补充循环气体，使其保持一定的工作压力。而排空阀2的作用跟液氮储槽13、汽化器14、循环风机1出口连接管路的作用相反，当闭式管路压力过高超过压力范围上线时，排空阀2打开完成泄压(在此系统中，闭式管路低压限值和高压限值都可以进行设定，并非定值)。

液氮储槽13与液氮流量调节阀5、气液混合器6在系统降温过程中开始工作，保证给闭式管路提供冷量，达到热沉12的降温。

下面对基于上述调温系统的温控方法进行详细描述。

1、整体切换方案：

从以上系统组成可以看出，同时存在加热装置和制冷装置，且加热装置与制冷装置并联设置，在使用时，需要对加热和制冷采用分布式控制，防止加热器9和液氮流量调节5阀频繁交替启动，造成温度控制难以达到平衡，同时也杜绝了因为冷热对冲造成的资源浪费。

具体来说，控制模块开始控制后，最初按照Tsp-Tpv>0进行判断，如果该条件满足，判定进入加热过程；反之，判定进入为降温过程；其中，Tsp是设定的热沉温度，Tpv是由热沉内部传感器获得的热沉内部温度反馈值。

在降温过程和加热过程中，条件Tsp-Tpv>0不再起作用。并且，在进入加热过程和降温过程后，两过程的切换条件并非采用同一个判断条件，分别设置各自的判断条件，只有满足相应判断条件才触发复位改变现有系统的工作状态。两个判断条件中有一段稳定阶段，避免由于采用单一的判断标准Tsp-Tpv>0导致冷热切换频繁。

具体来说，在降温过程中，如果出现Tsp-Tpv>允许范围上限T0的情况，则进入加热过程，反之停留在降温过程，继续进行Tsp-Tpv>允许范围上限T0的判断；在加热过程中，如果出现Tsp-Tpv<允许范围下限即-T0的情况，则进入降温过程，反之停留在加热过程，继续进行Tsp-Tpv<允许范围下限即-T0的判断。

在实际中，可以采用保持型接通延时定时器来实现。所谓保持型接通延时定时器，其工作原理是，输入信号为1时，定时器开始工作并计时，此时输出0，计时时间到，定时器输出为1，且一直保持该输出，且无论输入信号状态如何均保持该输出。只有复位指令才能够改变输出为0，并触发下一个定时器定时工作。此种思想非常适用于控温系统同时具备加热和制冷两种系统的控温系统中。只有相反的另一种工作状态才可复位停止先前的工作状态。具体实现为：

设定定时器A和定时器B，分别对应加热过程和降温过程。

初始判断Tsp-Tpv>0，如果满足，则需要进入加热过程，向定时器A输入1，定时器A启动，反之需要进入降温过程，向定时器B输入1，定时器B启动，。定时器A/定时器B进行计时，计时时间设计的比较短，使得很快能够输出1，输出1表征进行了相应过程。

在加热过程中，定时器A输出1的状态保持，系统判断Tsp-Tpv<-T0是否满足，如果不满足，定时器A的输出仍然保持，一但满足该条件，则产生复位指令给定时器A，定时器A改变输出为0，并触发下一个定时器B定时工作，从而将当前过程由加热过程切换至降温过程；

同理，定时器B被触发后，计时时间到则输出1，表征进入降温过程。在降温过程中，定时器B输出1的状态保持，系统判断Tsp-Tpv>T0是否满足，如果不满足，定时器B的输出仍然保持，一但满足该条件，则产生复位指令给定时器B，定时器B改变输出为0，并触发定时器A定时工作，从而将当前过程由降温过程切换至加热过程，往复循环。

2、加热过程为：

在加热过程中，气液混合器6后端的通用截止阀7、制冷截止阀20、液氮流量调节阀5关闭。但需要打开加热截止阀10，并控制加热器9开始工作。气体通过循环风机1的推动作用，从循环风机1的出口进入水冷换热器4，再由水冷换热器4流经二通道回热器3的一个通道，然后将通过换热的气体经过加热器9继续加热，已加热的气体经过热沉12、二通道回热气3另一通道，再返回到循环风机1，在循环风机的推力作用下，如此往复循环。

系统加热控制的技术方法为：

(1)系统加热是通过加热器9完成，为了能使加热过程实现可控，加热器9主电路采用可进行功率调节的调功器控制加热器9的加热功率。

当加热器单位时间内的温度变化值即ΔT/Δt大于设定温度变化速率β时，表示加热过快，降低加热器9的加热功率，此调节控制算法依靠PID调节算法完成。

在加热过程中，系统实时监测加热器中心温度传感器16和加热器出口温度传感器15的示值。当二者之差超过设定差值门限△1，控制模块限制加热器9加热功率，防止热容较大而热沉温度在达到特定温度时，造成温度超调过大，同时也防止加热器温度过高而烧坏加热器9本身。控制模块还可以根据加热器9功率和加热器9工作性能设置温度警告和温度过高报警。

3、降温过程为：

在降温过程中，加热器9后端的加热截止阀10始终关闭，气液通用截止阀7、制冷截止阀8和液氮流量调节阀5打开，加热器9停止工作。气体通过循环风机1的推动作用，从循环风机1的出口经过水冷换热器4、再由水冷换热器4流经二通道回热器3的一个通道，然后通过能量交换的气体经过气液混合器6与液氮流量调节阀5进来的液氮混合，混合后低温的气体经过热沉12和二通道回热气3另一通道，再返回到循环风机1，在循环风机的推力作用下，如此往复循环。

系统降温控制的技术方法为：

系统降温靠连接在管路中的液氮流量调节阀5完成，当系统执行降温过程时，液氮流量调节阀5打开，向闭式管路冲入低温的液氮。当Ta-Tsp＞3℃(Ta为热沉进口温度、Tsp为热沉设定温度)，即热沉温度和设定温度Tsp值差距较大，此时可能处于系统刚开始执行降温时，闭式管路压力因为液氮气化而瞬间升高，需要采用快速降温，控制模块控制闭式管路的排空阀2保持打开状态。此时，闭式管路内压力较低，保证了液氮流量调节阀5补充的液氮在气液混合器6内与较少的气体进行热交换，减少了液氮冷量的损耗。

为了提高热沉12的温度均匀性，循环风机1始终保持工作状态。当热沉进口温度Ta-Tsp≤3℃时，即热沉测得反馈温度即将接近设定温度时，为了进一步提高热沉均匀性，提高闭式管路氮气介质热容，系统需要通过保持闭式管路内绝对压力为2kg/cm²，此时比较压力传感器11获得的管路压力与设定的闭式管路内绝对压力优选值2kg/cm²进行比较，如果管路压力大于闭式管路绝对压力优选值则控制排空阀2打开进行泄压，否则，压力不足，控制排空阀2关闭。

从以上过程可以看出，在加热过程中，液氮流量调节阀5关闭，闭式管路只有加热器9对系统循环气体进行加热；在降温过程中，加热器9和加热器后端加热截止阀10关闭，因此系统加热和降温是两个独立的过程，杜绝冷热对冲造成资源的浪费。

(4)关键监测点的设置

本发明在闭式管路中的以下关键监测部位增加了多路温度传感器。各关键监测点及作用如下：

①加热器中心温度传感器16：

该加热器中心温度传感器作为加热器9工作的保护温度点，在加热过程中，保持热沉进口温度与加热器中心温度的差值调节，当差值过大超过设定差值门限△2时，控制模块实时降低加热器9的加热功率，防止因加热功率过大使加热超调过大，使温度控制过程平缓接近控温点，也可防止加热温度过高而损坏加热器9。

②加热器出口温度传感器15：

如前所述，在加热过程中，当加热器中心温度与加热器出口温度的温度差超过设定差值门限△1时，说明温度差值太大，可推断闭式管路氮气循环不良，控制模块限制加热器9的加热功率，防止加热器干烧。

③热沉进口温度传感器17：

通过热沉进口温度传感器17显示值和热沉温度差值约束降温过程中的超调，当热沉进口温度传感器17与热沉设定温度Tsp之差小于设定小值ε，说明热沉进口温度接近设定值，此时，在加热过程中，限制加热器9加热功率，在降温过程中，限制液氮流量调节阀5的开度以控制制冷功率。

④风机进口温度传感器18：

因循环风机1为保证推动闭环系统氮气循环的持续动力，当风机进口温度传感器18过高时，造成循环风机1的损坏，从而不能维持试验的连续性。因此当循环风机进口温度超过设定风机进口温度门限T3时，风机停止工作，并报警。

⑤二通道回热器出口温度传感器19：

二通道回热器出口温度传感器19是实时反应二通道回热器3进行热交换的工作效率的关键参考点。根据热交换的工作效率进行运行状态的监控。

⑥气液混合器出口温度传感器20

在降温过程中，控制模块在热沉的反馈温度达到热沉设定温度Tsp附近设定范围时，检测气液混合器出口温度传感器20显示值和热沉进口温度传感器17显示值的温差值，如果温差值超过允许温差范围上限，则关闭液氮流量调节阀，限制降温过程中的超调。

本发明方法可以用于单点温控模式和曲线温控模式。其中，单点温控模式是指设定一个热沉温度目标Tsp，以该热沉温度目标Tsp进行上述温控过程。曲线模式是指设定一组温度，按顺序依次作为温控目标Tsp，针对每个温控目标都按照上述温控过程进行控制。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种以气体作为传热介质的回热式闭式调温系统，其特征在于，包括：循环风机(1)、排空阀(2)、二通道回热器(3)、水冷换热器(4)、液氮流量调节阀(5)、气液混合器(6)、通用截止阀(7)、加热截止阀(10)、制冷截止阀(8)、加热器(9)、压力传感器(11)、热沉(12)、液氮储槽(13)和汽化器(14)；

循环风机(1)出口管路依次连接水冷换热器(4)、二通道回热器(3)的其中一个通道后分为并联的两路，一路依次连接加热截止阀(10)和加热器(9)，另一个路依次连接通用截止阀(7)、气液混合器(6)和制冷截止阀(8)，然后两路合为一路，接着依次连接压力传感器(11)、热沉(12)、二通道回热器(3)的另一个通道后回到循环风机(1)入口，形成闭式管路；

液氮储槽(13)出口管路分为两路，一路经由汽化器(14)连接循环风机(1)的出口管路，另一路经过液氮流量调节阀(5)为气液混合器(6)提供冷量；循环风机(1)入口连接排空阀(2)；

该闭式管路中进一步设置加热器出口温度传感器(15)、加热器中心温度传感器(16)、热沉进口温度传感器(17)、循环风机进口温度传感器(18)、二通道回热器出口温度传感器(19)以及气液混合器出口温度传感器(20)；

该系统还包括控制模块，用于实施调温控制，该控制模块连接各传感器、需要控制的阀门和加热器；

包括加热过程和降温过程；

控制模块开始控制后，最初按照Tsp-Tpv>0进行判断，如果该条件满足，则判定进入加热过程；反之，判定进入为降温过程；其中，Tsp是设定的热沉温度，Tpv是由热沉内部传感器获得的热沉内部温度反馈值；

在降温过程中，如果出现Tsp-Tpv>允许范围上限T0的情况，则进入加热过程，反之停留在降温过程，继续进行Tsp-Tpv>允许范围上限T0的判断；

在加热过程中，如果出现Tsp-Tpv<允许范围下限即-T0的情况，则进入降温过程，反之停留在加热过程，继续进行Tsp-Tpv<允许范围下限即-T0的判断；

在加热过程中，气液混合器(6)后端的通用截止阀(7)、制冷截止阀(20)和液氮流量调节阀(5)始终关闭，加热截止阀(10)打开，加热器(9)开始工作；气体从循环风机(1)的出口开始经过水冷换热器(4)、二通道回热器(3)一个通道、加热器(9)、热沉(12)、二通道回热气(3)另一通道返回循环风机(1)，如此往复循环；

在降温过程中，加热器(9)后端的加热截止阀(10)始终关闭，所述气液通用截止阀(7)、制冷截止阀(8)和液氮流量调节阀(5)打开，加热器(9)停止工作；气体从循环风机(1)的出口开始经过水冷换热器(4)、二通道回热器(3)一个通道进入气液混合器(6)与液氮流量调节阀(5)进来的液氮混合，混合后低温的气体经过热沉(12)、二通道回热气(3)另一通道返回循环风机(1)，如此往复循环；

在加热过程和降温过程中，循环风机(1)始终保持工作状态，压力传感器(11)采集闭式管路的当前压力，当闭式管路中压力超过压力范围底限 时，排空阀(2)保持关闭，氮气通过液氮储槽(13)、经过汽化器(14)、补充到循环风机(1)的出口，在闭式管路压力超过压力范围上限 时，排空阀(2)被控打开完成泄压，使闭式管路始终保持恒定压力。

2.如权利要求1所述的系统，其特征在于，在降温过程中，将热沉进口温度记为Ta，则当Ta-Tsp＞3℃时，控制模块控制排空阀(2)保持打开状态；当Ta-Tsp≤3℃时，比较压力传感器(11)获得的管路压力和设定的闭式管路绝对压力优选值，如果管路压力大于闭式管路绝对压力优选值，则控制排空阀(2)打开进行泄压，否则，压力不足，控制排空阀(2)关闭。

3.如权利要求1所述的系统，其特征在于，在降温过程中，控制模块在热沉的反馈温度达到热沉设定温度Tsp附近设定范围时，检测气液混合器出口温度传感器(20)显示值和热沉进口温度传感器(17)显示值的温差值，如果温差值超过允许温差范围上限，则关闭液氮流量调节阀，限制降温过程中的超调。

4.如权利要求1所述的系统，其特征在于，在加热过程中，当加热器单位时间内的温度变化值大于设定温度变化速率β时，降低加热器(9)的加热功率。

5.如权利要求1所述的系统，其特征在于，在加热过程中，当加热器中心温度传感器(16)和加热器出口温度传感器(15)之差超过设定差值门限△1时，控制模块限制加热器(9)的加热功率。

6.如权利要求1所述的系统，其特征在于，在加热过程中，当热沉(12)进口温度与加热器(9)中心温度之差超过设定差值门限△2时，控制模块降低加热器(9)的加热功率。

7.如权利要求1所述的系统，其特征在于，当热沉进口温度与热沉设定温度Tsp之差小于设定小值ε时：在加热过程中，限制加热器(9)加热功率；在降温过程中，限制液氮流量调节阀(5)的开度以控制制冷功率。

8.如权利要求1所述的系统，其特征在于，当循环风机进口温度超过设定风机进口温度门限T3时，风机停止工作，并报警。

9.如权利要求1所述的系统，其特征在于，二通道回热器出口温度传感器(19)实时反应二通道回热器(3)进行热交换的工作效率，根据热交换的工作效率进行运行状态的监控。