CN111103115A - 一种气候风洞极端热湿参数控制装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气候风洞极端热湿参数控制装置及方法，装置包括风机、第一表冷器、第二表冷器、第一加热器、第二加热器、轮转除湿机以及蒸汽加湿器；第二表冷器与转轮除湿机串联形成除湿线路，第一加热器与蒸汽加湿器串联形成加热线路，除湿线路与加热线路并联后，依次与第二加热器、风机以及第一表冷器串联连接；第一表冷器和第二表冷器分别与供回水管路连接。控制方法包括对风洞极端热湿参数的三级调控与微调节方法，解决了现有气候风洞内极端高温高湿工况下温湿度难以精确调控的问题，保证了极端高温高湿工况下的控制精度；并且克服了温湿度调节时加热和除湿过程存在滞后性的缺陷，提高了温湿度的响应速度，并节约运行能耗与设备投资费用。

Description

一种气候风洞极端热湿参数控制装置及方法

技术领域

本发明涉及多参数环境控制技术领域，特别涉及一种气候风洞极端热湿参数控制装置及方法。

背景技术

风洞试验由于控制精度高、可重复性好、不受室外气候条件影响等优点，从航空航天领域被广泛应用到建筑、气象等领域。近年来，多种不同规模和不同应用类型的风洞相继建立，为不同领域的科学研究提供了实验平台。风洞的控制参数也由单一风速，逐渐增加为风速、温度、湿度等多个参数，并且发展为周期性多参数的耦合控制。

但是风洞内温、湿度的调控是一个动态变化过程，其高精度调控相对复杂困难，特别是极端高温高湿的工况。另外，风洞内空气的加热和除湿存在滞后性，给风洞内的温湿度精确调控带来更大的挑战。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺陷和不足，提供了一种气候风洞极端热湿参数控制装置，该装置能够精确控制气候风洞内极端高温高湿工况下的温湿度，提高响应速度和运行稳定性。

本发明的另一个目的在于提供了一种气候风洞极端热湿参数控制方法，可实现气候风洞内温湿度的三级调控，提高了控制精度。

本发明的目的可以通过如下技术方案实现：一种气候风洞极端热湿参数控制装置，包括风机、第一表冷器、第二表冷器、第一加热器、第二加热器、轮转除湿机以及蒸汽加湿器；所述第二表冷器与转轮除湿机串联形成除湿线路，所述第一加热器与蒸汽加湿器串联形成加热线路，所述除湿线路与加热线路并联后，依次与第二加热器、风机以及第一表冷器串联连接；所述第一表冷器和第二表冷器分别与供回水管路连接。

作为优选的技术方案，所述风机为变频轴流风机。采用这种结构后，风机可产生试件测试时所需的周期性速度场，同时使风洞内空气的温湿度均匀分布。

作为优选的技术方案，所述第一表冷器为一级空气调节除湿表冷器，所述第二表冷器为露点除湿专用表冷器。采用这种结构后，第一表冷器主要用于气候风洞内空气降温，第二表冷器主要用于对经过第一表冷器初步降温除湿后的空气进行二级除湿。

作为优选的技术方案，所述第二加热器设置于风洞试验段之前。采用这种结构后，第二加热器可以加快试验段空气的升温速度，满足试验要求。

作为优选的技术方案，所述供回水管路依次连接冷冻水系统以及冷却水系统，所述冷冻水系统包括冷水机组、冷冻水泵以及冷水箱，三者通过冷冻水管依次连接形成回路；所述冷却水系统包括冷却塔、冷却水过滤器、冷却水泵以及冷水机组，四者通过冷却水管依次连接形成回路。

作为优选的技术方案，所述供回水管路包括供水管路和回水管路，所述供水管路和回水管路之间设置有干工况水泵。采用这种结构后，干工况水泵通过混合高低温的冷水调控表冷器的供水温度，从而保证表冷器的降温速度，同时降低表冷器的结露对湿度的波动影响。

作为优选的技术方案，所述干工况水泵与供水管路之间设置有蝶阀，所述干工况水泵与回水管路之间设置有止回阀。

本发明的另一个目的可以通过如下技术方案实现：一种气候风洞极端热湿参数控制方法，包括如下步骤：降温时，通过第一表冷器进行降温处理；升温时，由第一表冷器对风洞内的循环空气进行粗调，使空气温度升高至所需温度以下；然后依次由第一加热器和第二加热器对空气温度进行微调，使空气温度调节至所需温度附近并稳定下来；加湿时，通过蒸汽加湿器喷蒸汽加湿；除湿时，由第一表冷器对风洞内循环空气进行初步降温除湿；然后由第二表冷器对空气进行降温除湿，形成低温、高湿的湿空气；最后由转轮除湿机对空气进行除湿，使空气湿度达到控制要求。

作为优选的技术方案，当空气相对湿度大于95％，风洞内空气温度大于15℃时，开启干工况水泵，使供水管路内的低温供水与回水管路内的高温回水混合，混合后的进水温度按照如下公式分段控制：

当空气温度小于40℃，大于25℃时，t_c＝t_a-15；

当空气温度小于25℃，大于15℃时，t_c＝t_a-10；

其中t_c为进水温度，t_a为空气温度。

作为优选的技术方案，当空气相对湿度小于95％，或当空气相对湿度大于95％，风洞内空气温度小于15℃时，不开启干工况水泵。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：本发明控制装置可实现热湿参数的三级调控和微调节。解决了现有气候风洞内极端高温高湿工况下温湿度难以精确调控的问题，保证了极端高温高湿工况下的控制精度；并且克服了温湿度调节时加热和除湿过程存在滞后性的缺陷，提高了温湿度的响应速度，并节约运行能耗与设备投资费用。

附图说明

图1是本发明实施例中气候风洞极端热湿参数控制装置结构示意图；

图2是本发明实施例中供回水管路的结构示意图；

图3是本发明实施例中未采用微调节方法低风速下空气温湿变化情况图；

图4是本发明实施例中未采用微调节方法高风速下空气温湿变化情况图；

图5是本发明实施例中采用微调节方法低风速下空气温湿变化情况图；

图6是本发明实施例中采用微调节方法高风速下空气温湿变化情况图。

其中：1-1：风机，1-2：第一表冷器，1-3：第二表冷器，1-4：第一加热器，1-5：第二加热器，1-6：转轮除湿机，1-7：蒸汽加湿器，2-1：冷却塔，2-2：冷却水过滤器，2-3：冷却水泵，2-4：冷水机组，2-5：冷冻水泵，2-6：冷水箱，2-7：供回水过滤器，2-8：表冷水泵，2-9：止回阀，2-10：蝶阀，2-11：干工况水泵，2-12：止回阀，2-13：回水管路，2-14：供水管路。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，一种气候风洞极端热湿参数控制装置，包括风机、第一表冷器、第二表冷器、第一加热器、第二加热器、轮转除湿机以及蒸汽加湿器。第二表冷器与转轮除湿机串联形成除湿线路，第一加热器与蒸汽加湿器串联形成加热线路，除湿线路与加热线路并联后，依次与第二加热器、风机以及第一表冷器串联连接。

风机为变频轴流风机，用于产生试件测试时所需的周期性速度场，同时使得风洞内空气的温湿度均匀分布。第一表冷器为一级空气调节除湿表冷器，气候风洞内空气降温时主要依靠第一表冷器进行降温处理。第二表冷器为露点除湿专用表冷器，用于对经过第一表冷器初步降温除湿后的空气进行二级除湿。将第二加热器设置在风洞试验段之前，可以加快试验段空气的升温速度，满足试验要求。

第一表冷器和第二表冷器分别与供回水管路连接。如图2所示，供回水管路依次连接冷冻水系统以及冷却水系统。冷却水系统包括冷却塔、冷却水过滤器、冷却水泵以及冷水机组，四者通过冷却水管依次连接形成回路。冷水机组作为制冷的核心部件，其制冷过程需要排热，冷却水系统先通过冷却水将冷水机组排热运到冷却塔，然后通过冷却塔将热量排放到大气中。冷冻水系统包括冷水机组、冷冻水泵以及冷水箱，三者通过冷冻水管依次连接形成回路。冷冻水系统将冷水机组产生的冷量通过水这种介质运到用冷设备，加上冷水箱之后，冷冻水便于分配与运输，并且可以使冷水机组高效稳定运行。

供回水管路包括供水管路和回水管路，供水管路内运输冷冻水至第一表冷器和第二表冷器，回水管路将高温回水运输回冷冻水系统和冷却水系统。图2中虚线表示的管路为回水管路，实线表示的管路为供水管路。回水管路与冷水箱连接管路上依次设置有止回阀、表冷水泵以及供回水过滤器。

高湿工况的调控关键在于严格控制第一表冷器和第二表冷器的进水温度，因此在供水管路和回水管路之间设置有干工况水泵，干工况水泵可以混合高温回水和低温供水，从而方便调节表冷器的进水温度。干工况水泵与供水管路之间设置有蝶阀，干工况水泵与回水管路之间设置有止回阀，避免回流。

对气候风洞极端热湿参数进行三级调控的方法，如下：

温度调控流程：

降温时主要依靠第一表冷器进行降温处理。

升温时，风洞内的循环空气经过第一表冷器进行一级升温，再经过两组加热器实现二、三级快速升温。第一表冷器、第一加热器和第二加热器依次设置于风洞内，其中第二加热器设置于风洞试验段之前。整体温度调控过程采用粗调和微调相结合的方式。首先由第一表冷器对空气温度进行粗调，将空气温度升高至所需温度以下，然后由第一加热器和第二加热器进行微调，通过PID控制器调控加热量的输出进而将空气温度调节至所需温度附近并稳定下来。

湿度调控流程：

加湿时，通过蒸汽加湿器喷蒸汽加湿。

除湿时，风机驱动循环空气经第一表冷器、第二表冷器、转轮除湿机实现三级快速除湿。由于相对湿度相同的空气，其含湿量随空气温度的降低而减小。首先高温、高湿空气经过第一表冷器进行初步降温除湿，但除湿量较少，空气依然保持高温高湿状态。然后高温、高湿空气通过第二表冷器，空气温度大幅度降低，当降低到露点温度以下时，空气中的水蒸气大量凝结并析出，从而有效降低空气的含湿量，成为低温、高湿的湿空气。最后低温、高湿的湿空气进入转轮除湿机，通过其中的吸附材料进一步吸附强力除湿，使空气湿度达到低湿度控制要求。

整个除湿系统充分结合了冷却除湿和转轮除湿方法的优点，不仅调节方便、运行平稳，而且节约能耗和设备投资费用。

对气候风洞极端热湿参数进行微调节的方法，如下：

温、湿度的调控是动态变化的，其高精度调控相对复杂困难，特别是极端高温高湿的工况。当风洞内空气设定温度为40℃、设定湿度为98％时，图3、4显示在低风速和高风速下，风洞内的空气湿度均优先达到98％，但是空气温度一直处于37℃附近，无法达到40℃，同时在低风速时湿度出现剧烈波动。其原因是空气温度较高导致露点温度较高，要达到极端高湿的状态比较困难，使得温度和湿度控制参数难以稳定，而且会造成加湿器和除湿机的频繁启停。传统的方式一般是通过加大加湿器或加热器的设备负荷来解决上述问题。

基于以上分析，可以发现为了稳定控制极端高温高湿40℃、98％的工况，整个温湿度控制系统需要加大加湿器或第一加热器、第二加热器的设备负荷，在表冷器供水管路上增设额外的冷水箱或者加热器。但是，增设的加热器加热来自冷水箱的冷水，使得冷热对冲，会直接造成能源的浪费。此外，一味增加设备的负荷，会提高整个风洞的设备初投资和运行能耗。

高湿工况的调控关键在于严格控制第一表冷器、第二表冷器的进水温度，本发明通过设置在风洞内表冷器供水管路和回水管路之间的干工况水泵来调控进水温度。当空气相对湿度低于95％时，为了保证第一表冷器、第二表冷器的降温速率，第一表冷器、第二表冷器的进水直接来自冷水箱。当相对湿度大于95％时，启动干工况水泵，混合第一表冷器、第二表冷器的高温回水和冷水箱的低温供水，其中混合后的进水温度按照下列公式精确分段控制：

当空气温度大于25℃时，t_c＝t_a-15；25＜t_a≤40；

当空气温度小于25℃，大于15℃时，t_c＝t_a-10；15＜t_a≤25；

空气温度10＜t_a≤15℃时，不启动干工况水泵；

其中t_c为进水温度，t_a为空气温度。

使用温湿度微调节方法后，测试结果见图5、6，与图3、4进行对比，结果表明设置微调节模式后，极端高温高湿工况在最不利风速1m/s和最高风速10m/s条件下，温度和湿度均能达到控制状态点，且波动频率和幅度明显低于未设为调节模式时的工况。风洞在设定温度为40℃、相对湿度为98％的极端高温、高湿工况下，采用微调节方法后温度的均方根误差，风速为1m/s时从3.0℃降低到0.1℃，风速为10m/时从2.9℃降低到0.1℃；相对湿度的方根误差，风速为1m/s时从0.9％降低到0.5％，在10m/s时从0.3％降低到0.2％；相对湿度的波动频率从12次/h降低到4次/h。

温湿度微调节方法不仅有效提高极端高温高湿工况下的控制精度，而且有利于运行节能并可以减少水箱、加热器等设备的数量，降低设备初投资。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种气候风洞极端热湿参数控制装置，其特征在于，包括风机、第一表冷器、第二表冷器、第一加热器、第二加热器、轮转除湿机以及蒸汽加湿器；所述第二表冷器与转轮除湿机串联形成除湿线路，所述第一加热器与蒸汽加湿器串联形成加热线路，所述除湿线路与加热线路并联后，依次与第二加热器、风机以及第一表冷器串联连接；所述第一表冷器和第二表冷器分别与供回水管路连接。

2.根据权利要求1所述的一种气候风洞极端热湿参数控制装置，其特征在于，所述风机为变频轴流风机。

3.根据权利要求1所述的一种气候风洞极端热湿参数控制装置，其特征在于，所述第一表冷器为一级空气调节除湿表冷器，所述第二表冷器为露点除湿专用表冷器。

4.根据权利要求1所述的一种气候风洞极端热湿参数控制装置，其特征在于，所述第二加热器设置于风洞试验段之前。

5.根据权利要求1所述的一种气候风洞极端热湿参数控制装置，其特征在于，所述供回水管路依次连接冷冻水系统以及冷却水系统，所述冷冻水系统包括冷水机组、冷冻水泵以及冷水箱，三者通过冷冻水管依次连接形成回路；所述冷却水系统包括冷却塔、冷却水过滤器、冷却水泵以及冷水机组，四者通过冷却水管依次连接形成回路。

6.根据权利要求1所述的一种气候风洞极端热湿参数控制装置，其特征在于，所述供回水管路包括供水管路和回水管路，所述供水管路和回水管路之间设置有干工况水泵。

7.根据权利要求6所述的一种气候风洞极端热湿参数控制装置，其特征在于，所述干工况水泵与供水管路之间设置有蝶阀，所述干工况水泵与回水管路之间设置有止回阀。

8.一种气候风洞极端热湿参数控制方法，其特征在于，包括如下步骤：

降温时，通过第一表冷器进行降温处理；

升温时，由第一表冷器对风洞内的循环空气进行粗调，使空气温度升高至所需温度以下；然后依次由第一加热器和第二加热器对空气温度进行微调，使空气温度调节至所需温度附近并稳定下来；

加湿时，通过蒸汽加湿器喷蒸汽加湿；

除湿时，由第一表冷器对风洞内循环空气进行初步降温除湿；然后由第二表冷器对空气进行降温除湿，形成低温、高湿的湿空气；最后由转轮除湿机对空气进行除湿，使空气湿度达到控制要求。

9.根据权利要求7所述的一种气候风洞极端热湿参数控制方法，其特征在于，当空气相对湿度大于95％，风洞内空气温度大于15℃时，开启干工况水泵，使供水管路内的低温供水与回水管路内的高温回水混合，混合后的进水温度按照如下公式分段控制：

当空气温度小于40℃，大于25℃时，t_c＝t_a-15；

当空气温度小于25℃，大于15℃时，t_c＝t_a-10；

其中_c为进水温度，t_a为空气温度。

10.根据权利要求7所述的一种气候风洞极端热湿参数控制方法，其特征在于，当空气相对湿度小于95％，或当空气相对湿度大于95％，风洞内空气温度小于15℃时，不开启干工况水泵。

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