CN110440505A - 一种双循环载冷剂协同控制的风洞温控系统 - Google Patents

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周新
昝世超
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王汝金
吴俊峰
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Abstract

本发明涉及一种双循环载冷剂协同控制的风洞温控系统，本系统包括依次由第一三通阀的出口端、第一载冷剂泵、加热组件、风洞换热器和第一三通阀的第二进口端相连形成封闭环路的第一载冷剂循环系统和由第二载冷剂泵、冷源组件依次相连形成封闭环路的第二载冷剂循环系统；冷源组件的输出端还与第一三通阀的第一进口端连接；第二载冷剂泵的输入端还与第一通断阀的出口端连接；风洞换热器的输出端还与第一通断阀的进口端连接；所述加热组件包括电加热器、电加热功率调整组件以及控制电加热器与所述封闭环路连通或者相隔离的阀组单元。本发明可实现加热升温运行模式或降温运行模式。

Description

一种双循环载冷剂协同控制的风洞温控系统
技术领域
本发明涉及风洞设备技术领域，尤其是一种双循环载冷剂协同控制的风洞温控系统。
背景技术
随着空气动力学实验研究的深入发展,对提高风洞温度控制精度要求愈来愈高。温度控制系统是大型风洞试验平台的重要子系统，主要通过在风洞内设置的换热设备控制风洞内部空气温度，以实现高低温静态试验、高低温动态试验等不同试验条件下的空气环境温度要求。其中，风洞换热器一般使用定流量载冷剂供给。
现有的风洞温度控制试验系统的结构示意简图如图1所示的两种模式。其主体构成除了带有冷却塔的冷水机组、电加热器、风洞换热器及水泵外，还必须配备载冷剂储罐。实际运行时，载冷剂储罐通过冷水机组和/或电加热器输入的冷量或热量独立或组合控制风洞换热器的入口温度。
并且在实验过程中，风洞换热器有时候需要进行降温，有时候需要进行加热升温，采用现有的风洞温度控制试验系统，系统中所需加热或冷却的载冷剂体积大，热惰性大，风洞换热器载冷剂温度无法快速变化、加热升温和降温工况调节慢；高低温动态试验很难实现，因此急需一种可以进行快速工况响应和温度控制的风洞温控系统，以满足风洞换热器不同的温控要求。
发明内容
为了克服上述现有技术中的不足，为此，本发明提供一种双循环载冷剂协同控制的风洞温控系统。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种双循环载冷剂协同控制的风洞温控系统，包括依次由第一三通阀的出口端、第一载冷剂泵、加热组件、风洞换热器第一三通阀的第二进口端相连形成封闭环路的第一载冷剂循环系统和由第二载冷剂泵、冷源组件依次相连形成封闭环路的第二载冷剂循环系统；冷源组件的输出端还与第一三通阀的第一进口端连接；第二载冷剂泵的输入端还与第一通断阀的出口端连接；风洞换热器的输出端还与第一通断阀的进口端连接；所述加热组件包括电加热器、电加热功率调整组件以及控制电加热器与所述封闭环路连通或者相隔离的阀组单元。
优化的，所述第一三通阀为若干个三通阀组合形成的大流量跨度高精度调节的阀件。
优化的，所述冷源组件包括若干个依次连接的冷源模块，冷源模块包括用于产生低温的冷源单元、第二通断阀、第二三通阀；若干个冷源模块中的第二通断阀依次串联设置在第二载冷剂泵与第一三通阀之间的管路上且与相应的冷源单元并联，第二三通阀的第一进口端与所述第二通断阀连接，出口端与冷源单元的输入端连接，所述第二通断阀和第二三通阀通断情况相反。
优化的，第二三通阀的第二进口端与冷源单元的输出端连接，冷源单元的输出端还分别与对应的第二通断阀的出口端连接。
优化的，所述冷源组件还包括冷却塔或冷却塔组合，所述冷源模块中的冷源单元包括降温器件、将降温器件的热源侧的热量送入冷却塔或冷却塔组合的第一水泵和将降温器件的使用侧的冷量送入第二载冷剂循环系统的第三载冷剂泵。
优化的，所述降温器件为水冷换热器或冷水机组。
优化的，所述加热组件包括电加热器、电加热功率调整组件以及控制电加热器与所述封闭环路连通或者相隔离的阀组单元。
优化的，所述阀组单元包括第三通断阀、第四通断阀，第三通断阀与电加热器串联，第四通断阀并联在第三通断阀和电加热器串联后两端部，所述第三通断阀第四通断阀通断情况相反。
本发明的优点在于：
1)本发明通过控制第一三通阀确定将第二载冷剂循环系统的冷量是否或多少通过载冷剂输送给第一载冷剂循环系统中，当第一三通阀的第一进口端的开度逐渐变大而第一三通阀的第二进口端的开度逐渐变小时，可以实现降温运行模式并且可以实现降温工况的快速调节；当第一三通阀的第一进口端的开度逐渐变小而第一三通阀的第二进口端的开度逐渐变大时，可以实现加热升温模式并且可以实现加热升温工况的快速调节；其中加热组件中阀组单元控制电加热器是否为风洞换热器提供热量，加热组件中电加热功率调整组件控制电加热器为风洞换热器提供热量的大小。该系统通过设置第一三通阀、阀组单元和电加热功率调整组件为风洞温度控制系统提供不同的工作模式，并且实现加热升温和降温工况的快速调节；高低温动态试验更易实现。
2)通过若干三通调节阀或两通并联的方式，细分了调节范围，保证了载冷剂大流量跨度高精度调节。
3)通过第二通断阀和第二三通阀实现是否选择冷源组件，这样系统既可以选择多个冷源组件同时工作，也可以选择其中的某一个冷源组件来实现相应的降温要求。
4)选择工作的多个冷源组件形成第二载冷剂循环系统实现冷源的温度和冷量均衡调节，同时可以起到载冷剂储罐的作用。
5)第二三通阀的设置可以实现每个冷源单元内部的温度和冷量均衡调节。冷源单元内部结构的设置将降温器件的热源侧的热量送入冷却塔或其组合散热，并将降温器件的使用侧的冷量送入第二载冷剂循环系统实现冷量交换。该系统通过实现冷源组件的内循环、第二载冷剂循环系统的大循环，可以在去除现有技术中载冷剂储罐的情况下，依旧能够实现温度调节的功能，并且可以有效提高温度调节的速度，实现加热升温和降温工况的快速调节。
6)该系统使用一个冷却塔或冷却塔组合为所有的降温器件提供散热。
7)当第三通断阀打开，第四通断阀关闭时，电加热器与风洞换热器串联，电加热器为整个循环提供热量，当第三通断阀关闭，第四通断阀打开时，冷源直接通过第四通断阀流向风洞换热器。
附图说明
图1为现有技术中温控系统的示意图。
图2为本发明风洞温度控制系统的系统示意图。
图3为本发明风洞温度控制系统加热升温运行模式流程示意图。
图4为本发明风洞温度控制系统冷水机组降温运行模式流程示意图。
图5为本发明风洞温度控制系统自然冷源利用运行模式流程示意图。
图6为本发明风洞温度控制系统冷水机组降温和自然冷源利用混合运行模式流程示意图。
图中标注符号的含义如下：
1-冷水机组 2-冷却塔 3/22-第一水泵 4-水冷换热器
5/8-第二三通阀 6-第二载冷剂泵 7-第一通断阀 9-第一三通阀
10-第一载冷剂泵 11-电加热器 12-风洞换热器 13/16-第二通断阀
14/15-第三载冷剂泵 17-冷源组件 18-冷源模块
181-第一冷源模块 182-第二冷源模块
191-第一冷源单元 192-第二冷源单元
20-第三通断阀 21-第四通断阀
具体实施方式
如图2所示，一种双循环载冷剂协同控制的风洞温控系统，包括由第一三通阀9的出口端、第一载冷剂泵10、加热组件、风洞换热器12、第一三通阀9的第二进口端依次相连形成封闭环路的第一载冷剂循环系统和由第二载冷剂泵6、冷源组件17依次相连形成封闭环路的第二载冷剂循环系统；冷源组件17的输出端还与第一三通阀9的第一进口端连接；第二载冷剂泵6的输入端同时还与第一通断阀7的出口端连接；风洞换热器12的输出端还与第一通断阀7的进口端连接；所述加热组件包括电加热器11、电加热功率调整组件以及控制电加热器与所述封闭环路连通或者相隔离的阀组单元。
所述第一三通阀9为若干个三通阀组合形成的大流量跨度高精度调节的阀件，如若干个三通阀采用并联连接；也可以是采用两个两通调节阀联合调节或是若干个两通调节阀组合后联合调节，如两个两通调节阀采用并联连接联合调节。
所述冷源组件17还包括冷却塔2或冷却塔组合、若干个依次连接的冷源模块18，在该实施例中包括第一冷源模块181和第二冷源模块182，第一冷源模块181包括用于产生低温的冷源单元191、第二通断阀13、第二三通阀5。第二冷源模块182包括用于产生低温的冷源单元192、第二通断阀16、第二三通阀8。2个冷源模块18中的第二通断阀13/16依次串联设置在第二载冷剂泵6与第一三通阀9之间的管路上且与相应的冷源单元191/192并联，第二三通阀5/8的输入端与第二通断阀13/16连接，出口端与冷源单元191/192的输入端连接，所述第二通断阀13/16和第二三通阀5/8通断情况相反。所述第二三通阀5/8的第一进口端与第二载冷剂泵6的输出端连接，冷源单元191/192的输出端还分别与对应的第二通断阀13/16的出口端连接。所述冷源模块18中的冷源单元包括降温器件、将降温器件的热源侧的热量送入冷却塔组合的第一水泵3/22和将降温器件的使用侧的冷量送入第二载冷剂循环系统的第三载冷剂泵14/15。所述冷却塔2或冷却塔组合与每一个降温器件之间均形成热量交换。所述降温器件为水冷换热器4或冷水机组1。在该实施例中，冷源模块18为2个，其中包括第一冷源单元191的第一冷源模块181、包括第二冷源单元192的第二冷源模块182，其中第一冷源单元191内的降温器件为水冷换热器4，第二冷源单元192内的降温器件为冷水机组1，第二载冷剂泵6与第一冷源模块181的输入端连接。
所述加热组件包括与电加热器11和其功率调整组件。阀组单元包括第三通断阀20、第四通断阀21，第三通断阀20与电加热器11串联，第四通断阀21并联在第三通断阀20和电加热器11串联后两端部，所述第三通断阀20第四通断阀21通断情况相反。
通过对阀的控制，该系统包括4种运行模式，分别为加热升温运行模式、冷水机组降温运行模式、自然冷源利用运行模式、冷水机组降温与自然冷源利用混合运行模式。以下对各模式进行详细描述。
加热升温运行模式
如图3所示，为了实现加热升温，可控制仅虚线内的部件工作，具体的操作是控制第一三通阀9关停冷源组件17来源、第一通断阀7断开，实现关闭冷源组件17的输入和输出，第三通断阀20导通、第四通断阀21断开，实现电加热器11工作。
在风洞换热器12出口目标温度高于风洞内气流温度，在风洞换热器12构成切换到电加热器11工作循环模式，实现风洞换热器12进口温度升高，达到风洞内气流温度升高的目的。风洞换热器12的出口温度经过电加热器11进行控制，无需冷源组件17工作。
冷水机组降温运行模式
如图4所示，为了实现冷水机组降温运行模式，第一冷源模块181中的第二三通阀5断开，第二通断阀13导通，使得第一冷源模块181不工作。第二冷源模块182中的第二三通阀8导通，第二通断阀16断开，使得第二冷源模块182工作。第三通断阀20导通、第四通断阀21断开，电加热器11通过电加热功率调整组件部分运行或不工作。
在风洞换热器12出口目标温度低于风洞内气流温度时，冷水机组1开始运行以降低出水(载冷剂)温度，并通过第一三通阀9加大从第二载冷剂循环系统进入第一载冷剂循环系统的低温载冷剂流量，使更多冷量通过载冷剂进入风洞换热器12，实现降温过程、从而降低风洞换热器12的出口空气温度。根据冷量需求，风洞换热器12出口的载冷剂大部分经过第一通断阀7后，依次经第二载冷剂泵6、第二通断阀13和第二三通阀8、第三载冷剂泵15流经冷水机组1后，与风洞换热器12出口的小部分载冷剂在第一三通阀9混合，再通过第一载冷剂泵10送入风洞换热器12，完成载冷剂循环。
若需快速降温，可将第三通断阀20断开，第四通断阀21导通，使得加热单元断开，或通过第一三通阀9加大从第二载冷剂循环系统进入第一载冷剂循环系统的低温载冷剂流量，或同时开启多组冷水机组1单元。
自然冷源利用运行模式
如图5所示，为了实现自然冷源利用运行模式，第一冷源模块181中的第二三通阀5导通，第二通断阀13断开，使得第一冷源模块181工作。第二冷源模块182中的第二三通阀8断开，第二通断阀16导通，使得第二冷源模块182不工作。第三通断阀20断开，第四通断阀21导通，使得加热单元断开不工作。
当风洞换热器12欲将风洞内气流温度由70℃左右进行降低处理时，可优先采用此循环回路进行预先降温。冷却塔2的出口冷却水经过第一水泵3送入水冷换热器4，在水冷换热器4中与来自风洞换热器12侧的载冷剂进行热量交换。此时第二冷源模块182不运行。
风洞换热器12出口的部分载冷剂经过第一通断阀7通路，依次经第二载冷剂泵6、第二三通阀5、第三载冷剂泵14、水冷换热器4和第二通断阀16后，与风洞换热器12出口的部分载冷剂在第一三通阀9混合，再通过第一载冷剂泵10送入风洞换热器12，完成载冷剂循环。风洞换热器12侧的热量通过水冷换热器4导入冷却水，进一步地通过冷却塔2向空气中散出。
此循环模式下，充分利用自然冷源，无需开启冷水机组1，实现风洞换热器12出口空气温度的有效降低。
冷水机组降温与自然冷源利用混合运行模式
如图6所示，为了实现冷水机组降温与自然冷源利用混合运行模式，第一冷源模块181中的第二三通阀5导通，第二通断阀13断开，使得第一冷源模块181工作。第二冷源模块182中的第二三通阀8导通，第二通断阀16断开，使得第二冷源模块182工作。第三通断阀20导通、第四通断阀21断开，电加热器11通过电加热功率调整组件部分运行或不工作。
当风洞的气流初始温度高于外部环境温度，或水冷换热器4换热能力不足时，可同时通过冷水机组1和水冷换热器对风洞换热器12的载冷剂进行降温，使风洞换热器12出口空气温度达到所需目标温度。
此模式下，冷水机组1开始运行以降低出水(载冷剂)温度，并通过第一三通阀9加大从第二载冷剂循环系统进入第一载冷剂循环系统的低温载冷剂流量，使更多冷量通过载冷剂进入风洞换热器12，实现降温过程、从而降低风洞换热器12的出口空气温度。根据冷量需求，风洞换热器12出口的载冷剂大部分经过第一通断阀7后，依次经第二载冷剂泵6、第二三通阀5、第三载冷剂泵14、水冷换热器4、第二三通阀8、第三载冷剂泵15和冷水机组1后，与风洞换热器12出口的小部分载冷剂在第一三通阀9混合，再通过第一载冷剂泵10送入风洞换热器12，完成载冷剂循环。
若需快速降温，可将第三通断阀20断开，第四通断阀21导通，使得加热单元断开，或通过第一三通阀9加大从第二载冷剂循环系统进入第一载冷剂循环系统的低温载冷剂流量，或同时开启多组冷水机组1单元。
当风洞换热器12出口温度得以有效控制时，还可断开第一通断阀7，让冷水机组1侧的载冷剂按冷水机组1、第二载冷剂泵6、第二三通阀5、第三载冷剂泵14、水冷换热器4、第二三通阀8、第三载冷剂泵15的循环回路运行后再通过第一三通阀9连通风洞换热器12侧的载冷剂循环回路。
这种双循环载冷剂的协同控制，有效提升了冷水机组1制取的低温载冷剂的温度，从而降低了冷水机组1的工作强度、实现冷水机组1的节能运行。
本发明中风洞温控系统主要有以下优点：
1.可基于风洞内的气流温度条件，自行选取冷水机组降温运行模式、自然冷源利用运行模式、冷水机组降温与自然冷源利用混合运行模式、加热升温运行模式4种运行模式进行风洞换热器12出口空气温度的自动调节；保障风洞温控系统始终节能运行，大幅降低了系统运行能耗。同时，可以实现加热升温和降温工况的快速调节；高低温动态试验更易实现。
2.风洞温控系统省去了载冷剂储罐系统，避免了系统占地空间大、热惯性大、响应不及时的问题，满足高规格风洞试验条件的应用需求；
3.风洞温控系统通过“第一载冷剂循环系统”和“第二载冷剂循环系统”双循环载冷剂系统的协同控制和泵阀精确输出和调控，实现了载冷剂温度的稳定变化，为温度的精确测量提供保障；采用若干个调节阀并联的方式，保证了载冷剂大流量跨度高精度调节。
4.风洞温控系统可采用多套冷水机组1与水冷换热器4并联供冷，实现高热负荷的风洞换热器12出口空气温度的调控。
以上仅为本发明创造的较佳实施例而已，并不用以限制本发明创造，凡在本发明创造的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明创造的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种双循环载冷剂协同控制的风洞温控系统，其特征在于，包括依次由第一三通阀(9)的出口端、第一载冷剂泵(10)、加热组件、风洞换热器(12)、第一三通阀(9)的第二进口端相连形成封闭环路的第一载冷剂循环系统和由第二载冷剂泵(6)、冷源组件(17)依次相连形成封闭环路的第二载冷剂循环系统；冷源组件(17)的输出端还与第一三通阀(9)的第一进口端连接；第二载冷剂泵(6)的输入端还与第一通断阀(7)的出口端连接；风洞换热器(12)的输出端还与第一通断阀(7)的进口端连接；所述加热组件包括电加热器(11)、电加热功率调整组件以及控制电加热器与所述封闭环路连通或者相隔离的阀组单元。
2.根据权利要求1所述的一种双循环载冷剂协同控制的风洞温控系统，其特征在于，所述第一三通阀(9)为若干个三通阀组合形成的大流量跨度高精度调节的阀件。
3.根据权利要求1所述的一种双循环载冷剂协同控制的风洞温控系统，其特征在于，所述冷源组件(17)包括若干个依次连接的冷源模块(18)，冷源模块(18)包括用于产生低温的冷源单元(191/192)、第二通断阀(13/16)、第二三通阀(5/8)；若干个冷源模块(18)中的第二通断阀(13/16)依次串联设置在第二载冷剂泵(6)与第一三通阀(9)之间的管路上且与相应的冷源单元(191/192)并联，第二三通阀(5/8)的第一进口端与所述第二通断阀(13/16)连接，出口端与冷源单元(191/192)的输入端连接，所述第二通断阀(13/16)和第二三通阀(5/8)通断情况相反。
4.根据权利要求3所述的一种双循环载冷剂协同控制的风洞温控系统，其特征在于，第二三通阀(5/8)的第二进口端与冷源单元(191/192)的输出端连接，冷源单元(191/192)的输出端还分别与对应的第二通断阀(13/16)的出口端连接。
5.根据权利要求4所述的一种双循环载冷剂协同控制的风洞温控系统，其特征在于，所述冷源组件(17)还包括冷却塔(2)或冷却塔组合，所述冷源模块(18)中的冷源单元(191/192)包括降温器件、将降温器件的热源侧的热量送入冷却塔或冷却塔组合的第一水泵(3/22)和将降温器件的使用侧的冷量送入第二载冷剂循环系统的第三载冷剂泵(14/15)。
6.根据权利要求5所述的一种双循环载冷剂协同控制的风洞温控系统，其特征在于，所述降温器件为水冷换热器(4)或冷水机组(1)。
7.根据权利要求1所述的一种双循环载冷剂协同控制的风洞温控系统，其特征在于，所述加热组件包括电加热器(11)、电加热功率调整组件以及控制电加热器与所述封闭环路连通或者相隔离的阀组单元。
8.根据权利要求1所述的一种双循环载冷剂协同控制的风洞温控系统，其特征在于，所述阀组单元包括第三通断阀(20)、第四通断阀(21)，第三通断阀(20)与电加热器(11)串联，第四通断阀(21)并联在第三通断阀(20)和电加热器(11)串联后两端部，所述第三通断阀(20)第四通断阀(21)通断情况相反。
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