CN114353363B - 一种结冰风洞换热器出口气流温度控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明适用于风洞实验技术领域，提供了一种结冰风洞换热器出口气流温度控制系统及方法，包括：压缩机、冷凝器、储液罐、制冷剂屏蔽泵、换热器、低压循环桶、控制器和上位机；压缩机的吸气端设置有吸气压力传感器；换热器的入口和出口分别设置进液调节阀和回气调节阀；换热器的下游出风口设置有温度传感器，且温度传感器与换热器均设置于结冰风洞中；控制器控制连接压缩机；上位机连接温度传感器、回气调节阀和控制器；将吸气压力传感器直接设置在压缩机的吸气端，可以直观并且灵敏的获得压缩机的吸气压力，解决了现有技术中因低压循环桶容积大，导致制冷系统机组增减载速度慢，最终导致换热器出口气流温度存在较大的滞后性。

Description

一种结冰风洞换热器出口气流温度控制系统及方法

技术领域

本发明属于结冰风动技术领域，涉及一种结冰风洞换热器出口气流温度控制系统，尤其是涉及一种结冰风洞换热器出口气流温度控制方法。

背景技术

飞行器穿越富含过冷液滴的低温云层时，其迎风面上容易产生结冰现象，结冰严重威胁着飞机的飞行安全。飞行器结冰风洞试验是获得其结冰特性、验证机载防除冰系统性能和开展适航认证的重要手段。热流场品质是评价结冰风洞试验能力的重要技术指标，温度控制性能是结冰风洞开展飞行器结冰与防除冰研究的核心技术之一。飞行器结冰风洞试验中需要快速、精确、稳定控制试验区域的气流温度，美国联邦航空管理局及欧洲航空安全局发布了关于结冰风洞温度控制精度、稳定性和快速性指标要求。

目前，大型结冰风洞使用氨制冷系统控制风洞气流温度，系统主要由螺杆压缩机组、换热器、蒸发式冷凝器、氨泵、储液器和低压循环桶等设备组成，采用氨（R717）作为制冷剂。制冷系统通过控制换热器出口气流温度实现风洞热流场模拟，换热器出口气流温度控制性能决定了结冰风洞热流场品质。温度控制结构为以压缩机控制器作为主控器，以距换热器最近处的低压循环桶上安装的压力传感器测得的压力值作为反馈，手动输入试验目标温度所对应的吸气压力，用吸气压力目标值与反馈值两者的差值控制压缩机的能级，通过压缩机吸气量控制间接实现换热器出口气流温度控制。当前，制冷系统在换热器出口气流温度控制方面存在如下问题和不足：

其一，由于结冰风洞制冷系统换热器模块整体尺寸大，换热器进液回气管路复杂。试验中，换热器入口气流速度、密度，以及试验中喷雾和热气防冰系统喷入的热气等均会对换热器的换热性能产生影响，难以建立不同工况下换热器内氨蒸发压力与低压循环桶压力之间对应关系式。在给定工况下，目标温度对应的低压循环桶压力预测困难，试验中需要反复调整低压循环桶压力设定值以满足温度控制要求，试验效率低且温度控制精度差。

其二，风洞内气流热容大、热负荷复杂，为大惯性对象。制冷系统低压循环桶容积大，而机组增减载速度慢。采用低压循环桶压力控制换热器出口气流温度时，存在较大的滞后，温度控制效率低。

另外，在现有的制冷系统中，使用热力膨胀阀或电子膨胀阀控制换热器进液流量从而控制换热器出口温度。运行经验表明，由于结冰风洞换热器管容大、流道长，试验时影响换热效果因素多（如风速、气流密度等），换热器内制冷剂蒸发换热过程复杂。采用膨胀阀通过控制供液流量的方式进行温度控制存在较大的滞后，不能满足试验温度控制快速性要求。

根据试验工艺流程，气流温度稳定后打开喷雾系统、热气防除冰试验系统，喷入的热气导致制冷系统热负荷变化较大，而当前制冷系统温度控制响应时间长，系统控制稳定性还不能满足防冰试验，特别是防冰适航认证试验需求。

发明内容

本发明的目的是提供一种结冰风洞换热器出口气流温度控制系统，其能够快速实现换热器出口气流温度快速、精确、稳定的控制，有助于提高风洞温度控制品质。

本发明的另一目的在于提供一种结冰风洞换热器出口气流温度控制方法，其能够快速实现换热器出口气流温度快速、精确、稳定的控制，有助于提高风洞温度控制品质。

本发明是这样实现的：

一种结冰风洞换热器出口气流温度控制系统，包括：压缩机、冷凝器、储液罐、制冷剂屏蔽泵、换热器、低压循环桶、控制器和上位机，所述压缩机依次连接冷凝器、储液罐和低压循环桶，所述低压循环桶设置于所述压缩机和换热器之间，所述制冷剂屏蔽泵设置于所述低压循环桶和所述换热器之间；所述压缩机的吸气端设置有吸气压力传感器；所述换热器的入口和出口分别设置进液调节阀和回气调节阀；所述换热器的下游出风口设置有温度传感器，且所述温度传感器与所述换热器均设置于所述结冰风洞中；所述控制器控制连接所述压缩机；所述上位机连接所述温度传感器、回气调节阀和所述控制器。

本发明还提供了一种结冰风洞换热器出口气流温度控制方法，其利用本发明所述温度控制系统实现，

步骤S1:获取压缩机的目标吸气压力P1，其中，P1=P0+ΔP，P0为实验工况下目标温度T0所对应的制冷剂饱和蒸发压力P0，ΔP1为压力变化经验值；

步骤S2:将压缩机的实际吸气压力PA调整到满足以下关系：|PA-P1|＜ΔP2，其中，ΔP2为预设压力变化值；

步骤S3:压缩机运行预定时间后，将所述换热器的进液调节阀开度设置为K1，将所述回气调节阀开度设置为K2；

步骤S4:开启所述制冷剂屏蔽泵对所述换热器供液；

步骤S5:将换热器的实际出口温度TA调整到满足以下关系：|TA-T0|＜ΔT，其中，ΔT为预设温度变化值。

进一步地，在步骤S2中，当PA-P1>ΔP2时，且所述压缩机当前能级<99%，执行压缩机增载；当P1-PA≧ΔP2时，且所述压缩机当前能级>2%，执行压缩机减载；当-ΔP2<P1-PA<ΔP2，所述压缩机能级保持不变。

在步骤S3中，压缩机运行预定时间T分钟后，将所述进液调节阀开度K1设置为A%，将所述回气调节阀开度K2设置为B%；其中，0<T<5，0<A<5，10<B<15。

进一步地，在步骤S3中，压缩机运行3分钟后，将所述进液调节阀开度K1设置为5%，将所述回气调节阀开度K2设置为15%。

在步骤S5中，当TA-T0>ΔT，所述回气调节阀开度K2<C%时，调高所述回气调节阀门开度；当T0-TA≧ΔT，所述回气调节阀开度K2>D%时，调低回气调节阀门开度；当-ΔT<T0-TA<ΔT，所述回气调节阀门开度保持，90<C<100，0<D<5

进一步地，在步骤S5中，当TA-T0>ΔT，所述回气调节阀开度K2<99%时，调高所述回气调节阀门开度；当T0-TA≧ΔT，所述回气调节阀开度K2>5%时，调低回气调节阀门开度；当-ΔT<T0-TA<ΔT，所述回气调节阀门开度保持。

所述ΔT设置为0.1℃-0.3℃。

进一步地，所述ΔT设置为0.2℃。

进一步地，所述P0基于制冷剂的物性拟合函数（蒸发温度-饱和蒸发压力）获得。

所述ΔP1取值范围为0.1bar-0.4bar。

进一步地，所述ΔP1为0.3bar。

所述ΔP2取值范围为0.005bar-0.015bar。

进一步地，所述ΔP2为0.01bar。

本发明的有益效果是：

本发明通过上述设计得到的一种结冰风洞换热器出口气流温度控制系统及方法具有如下有益效果：

1、本发明中，将吸气压力传感器直接设置在压缩机的吸气端，可以直观并且灵敏的获得压缩机的吸气压力，解决了现有技术中因低压循环桶容积大，导致制冷系统机组增减载速度慢，最终导致换热器出口气流温度存在较大的滞后性。

2、本发明中，压缩机用于风洞降温过程中，气流温度接近目标温度之前的系统压力粗调。气流温度接近目标温度时，利用换热器回气调节阀动作快特性快速调节出气阀开度，调整换热器出口氨气流量改变换热器内氨液蒸发压力，进行温度稳态控制精调。同时，回气调节阀阀门可以有效阻止压缩机吸气压力控制波动向换热器内蒸发压力传导，减小吸气压力对换热器内蒸发压力控制影响，提高了系统温度控制稳定性。

3、本发明中，与传统氨制冷系统通过控制换热器进液流量控制出风温度的方式不同，采用快速动作的回气阀开度控制换热器单元内的氨蒸发压力，匹配换热器入口调节阀，能快速调节换热器内蒸发压力、改变换热器换热性能，实现出口气流温度的快速调节。消除传统制冷系统控制进液流量来控制换热器出口气流温度中，在控制温度接近目标温度时换热器换热效率低，风洞大容积蒸发器内氨液需要较长才能达到压力平衡导致的温度控制滞后问题。

4、本发明中，在系统完成气流温度稳态控制后，打开喷雾、热气防除冰系统，由于此时低压循环桶压力较换热器内蒸发压力低，且有较大的差值。通过回气阀门开度快速调节，增大换热器回气流量，能够快速降低蒸发器内氨液蒸发压力，提高换热器换热效率，平衡喷雾、热气防除冰系统引入的热负荷，实现换热器出口气流温度快速稳定控制目的。由于换热器出口管道及低压循环桶容积较大，瞬时增加的回气量不会导致回气调节阀阀后压力波动大，使得换热器内压力控制稳定性好，从而提高制冷系统温度控制动态稳定性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施方式提供的制冷系统工艺流程图；

图2是本发明实施方式提供的压缩机组控制流程图；

图3是本发明实施方式提供的回气阀门控制流程图。

具体实施方式

以下的说明提供了许多不同的实施例、或是例子，用来实施本发明的不同特征。以下特定例子所描述的元件和排列方式，仅用来精简的表达本发明，其仅作为例子，而并非用以限制本发明。

实施例1

本发明提供了一种结冰风洞换热器出口气流温度控制系统，请结合附图1所示，本发明包括：压缩机、吸气压力传感器、冷凝器（蒸发式冷凝器）、储液罐（高压储液罐）、制冷剂屏蔽泵、换热器、进液调节阀、回气调节阀、温度传感器、低压循环桶、控制器（压缩机控制器）和上位机；需要进行说明的是，作为优选实施例，在本发明中，采用氨作为制冷剂，在其它实施例中也可以采用其它制冷剂，氟利昂制冷剂（比如：R12、R11、R114、R113、R22、R13、R14等）、饱和碳氢化合物制冷剂（比如：甲烷（R50）、乙烷为（R170）、丙烷（R290）、丁烷（R600）、异二氟乙烷（R152a）和异丁烷（R601）等）、共沸制冷剂和非共沸制冷剂等。

对此，制冷剂屏蔽泵选型时采用氨屏蔽泵，在输送氨液的过程中保障氨液无泄漏稳定的运输工况。具体的，请结合图1所示，压缩机出口依次连接蒸发式冷凝器、高压储液罐、低压循环桶、氨屏蔽泵、进液调节阀、换热器、回气调节阀、低压循环桶再回至压缩机的吸气端。另外，为实现本系统的控制，上位机连接温度调节阀、回气调节阀、吸气压力传感器和压缩机控制器，操作者可以在上位机上进行工况输入，从而控制回气调节阀开度以及控制压缩机的运行工况。

工作时，氨屏蔽泵将低压循环桶中过冷氨液增压输送至换热器入口主管路，主管路氨液通过换热器进液调节阀进行减压及流量调节后由分液器分配至换热器的模块单元（实际操作中，换热器采用多个独立蒸发换热的模块单元，有助于调节制冷量的范围，以及通过不同的模块单元的布置形成更能模拟真实环境的风洞温度场）。换热器内氨液吸热蒸发成饱和氨蒸汽，换热器单元出口回气调节阀根据换热器出口气流温度反馈，通过回气调节阀的开度调节实现换热器单元内氨液蒸发压力控制，从而实现换热器出口气流温度满足风洞实验需要。氨气通过回气调节阀后汇入回气管道，回气管道连接至低压循环桶。压缩机从低压循环桶中吸入低温低压氨气，经压缩形成高温高压氨气送入厂房顶部的蒸发式冷凝器中。高温高压的氨气在蒸发式冷凝器中被冷凝液化成高压氨液，氨液在重力作用下流入高压储液罐中。高压储液罐中的氨液通过节流阀补充至低压循环桶中，保持低压循环桶液位稳定。上位机软件用于解算试验工况目标温度对应的压缩机吸气压力、压缩机增减载控制、进液回气阀门开度控制、氨泵等设备的启停控制。

所述低压循环桶设置于所述压缩机和换热器之间，其功能是保证充分向氨屏蔽泵供应低压氨液,同时也起了氨液分离器的作用，使向压缩机吸气端流去的是气态氨工质，防止液体流入压缩机的吸气端而导致液击现象，损坏压缩机。低压循环桶主体为圆柱形筒体及上、下两端与两只椭圆形封头焊接成一体所组成,筒体上部两个侧面分别有进气、出气接管一个，在筒体中部有供液接管，靠近下封头的筒体侧面有出液管，此出液管在系统中与氨屏蔽泵相连，上封头装压力表与安全阀、下封头底部有放油阀。筒侧设有浮球阀（或者液位控制器）上下二接管。

在本发明中，所述压缩机的吸气端设置吸气压力传感器，其目的在于实时监测压缩机的吸气压力并反馈至上位机，上位机通过该实时反馈的吸气压力和输入的工况值进行比较，最终控制压缩机进行增减载；具体的控制方法请参见下一实施例。

所述换热器的入口和出口分别设置进液调节阀和回气调节阀；所述换热器的下游出风口设置有温度传感器，在具体的风洞实验中，换热器及其出口气流温度传感器安装于风洞中，其他设备安装于制冷厂房，并且换热器出口温度传感器布置于换热器出口1米处并位于换热器截面中心对应点；该位置最能反应出风洞环境与真实的飞行环境。

本发明还提供了一种结冰风洞换热器出口气流温度控制方法，其利用本发明所述温度控制系统实现。

实施例2

请结合图2所示，通过压缩机吸气压力对系统进行粗调，具体步骤如下：

步骤S1：输入试验工况，上位机基于氨物性拟合函数（蒸发温度-饱和蒸发压力）计算试验工况目标温度T0对应的氨饱和蒸发压力P0；

步骤S2：获取压缩机的目标吸气压力P1，其中，P1=P0+ΔP，ΔP1为压力变化经验值；在实际的操作中，ΔP1基于换热器出口管道压力损失及历史温度控制经验，ΔP1在实际实验操作中，通过实验反复模拟，ΔP1经验设置为0.3bar；该差值在上位机软件中可以根据工况进行修改。

步骤S3：设置压缩机吸气压力，并开启压缩机。将压缩机的实际吸气压力PA调整到满足以下关系：|PA-P1|＜ΔP2，其中，ΔP2为预设压力变化值；具体而言，上位机根据压缩机吸气端吸气压力传感器的吸气压力反馈值PA。

当PA-P1>ΔP2、压缩机当前能级<99%，压缩机控制器将控制压缩机执行压缩机增载操作，进而增大压缩机吸气流量、降低压缩机吸气压力；当P1-PA≧ΔP2、压缩机当前能级>2%，压缩机减载，减少吸气流量、提高吸气压力。

当-ΔP2<P1-PA<ΔP2，压缩机能级保持。实际操作中，ΔP2一般设置为0.01bar，ΔP2可以通过上位机预设其并非为特定的参数，可以通过上位机进行修改，ΔP2过大压缩机吸气压力控制精度低，ΔP2过小压缩机增减载动作频繁，系统稳定性变差。

请结合图3所示，通过对换热器的进液、回气调节阀开度预置对风洞实验环境温度进行精调，具体步骤如下：

步骤S1：在压缩机开机3min后，将换热器进液调节阀开度设置为5%，回气调节阀开度设置为15%。

步骤S2：换热器进液、回气调节阀开度到位后，开启氨泵对换热供液。

步骤S3：风洞降温，启动风洞风扇电机及高度模拟系统，控制风洞内风速计模拟高度；气流流过换热器表面与换热器表面进行热交换，从换热器出口吹出的空气温度降低。

步骤S4：将换热器的实际出口温度TA调整到满足以下关系：|TA-T0|＜ΔT，其中，ΔT为预设温度变化值。

具体地，当TA-T0>ΔT，所述回气调节阀开度K2<99%时，调高所述回气调节阀门开度，降低换热器内蒸发压力，增大换热量，使风洞内气流温度降低。

当T0-TA≧ΔT，所述回气调节阀开度K2>5%时，调低回气调节阀门开度，升高换热器内蒸发压力，减小换热量，使风洞内气流温度升高。

当-ΔT<T0-TA<ΔT，所述回气调节阀门开度保持，稳定风洞内气流温度。ΔT一般设置为0.2℃。通过本控制方式并结合实施例2中的压缩机回气压力控制即可快速并温度的调节风洞环境的温度。

结合实施例2和实施例3中的控制方法，由于采用压缩机吸气压力和换热器蒸发压力两级压力闭环控制方式，将氨蒸发压力与吸气压力控制相解耦，简化了控制过程。压缩机用于风洞降温过程中，气流温度接近目标温度之前的系统压力粗调。气流温度接近目标温度时，利用换热器出口调节阀（回气调节阀）动作快特性快速调节出气阀开度，调整换热器出口氨气流量改变换热器内氨液蒸发压力，进行温度稳态控制精调。同时，回气调节阀阀门可以有效阻止压缩机吸气压力控制波动向换热器内蒸发压力传导，减小吸气压力对换热器内蒸发压力控制影响，提高了系统温度控制稳定性。

与传统氨制冷系统通过控制换热器进液流量控制出风温度的方式不同，采用快速动作的回气阀开度控制换热器单元内的氨蒸发压力，匹配换热器入口调节阀，能快速调节换热器内蒸发压力、改变换热器换热性能，实现出口气流温度的快速调节。消除传统制冷系统控制进液流量来控制换热器出口气流温度中，在控制温度接近目标温度时换热器换热效率低，风洞大容积蒸发器内氨液需要较长才能达到压力平衡导致的温度控制滞后问题。

在系统完成气流温度稳态控制后，打开喷雾、热气防除冰系统，由于此时低压循环桶压力较换热器内蒸发压力低，且有较大的差值。通过回气阀门开度快速调节，增大换热器回气流量，能够快速降低蒸发器内氨液蒸发压力，提高换热器换热效率，平衡喷雾、热气防除冰系统引入的热负荷，实现换热器出口气流温度快速稳定控制目的。由于换热器出口管道及低压循环桶容积较大，瞬时增加的回气量不会导致回气调节阀阀后压力波动大，使得换热器内压力控制稳定性好，从而提高制冷系统温度控制动态稳定性。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种结冰风洞换热器出口气流温度控制方法，其特征在于，利用结冰风洞换热器出口气流温度控制系统实现，所述结冰风洞换热器出口气流温度控制系统包括：压缩机、冷凝器、储液罐、制冷剂屏蔽泵、换热器、低压循环桶、控制器和上位机，所述压缩机依次连接冷凝器、储液罐和低压循环桶，所述低压循环桶设置于所述压缩机和换热器之间，所述制冷剂屏蔽泵设置于所述低压循环桶和所述换热器之间；所述压缩机的吸气端设置有吸气压力传感器；所述换热器的入口和出口分别设置进液调节阀和回气调节阀；所述换热器的下游出风口设置有温度传感器，且所述温度传感器与所述换热器均设置于所述结冰风洞中；所述控制器控制连接所述压缩机；所述上位机连接所述温度传感器、回气调节阀和所述控制器；

所述结冰风洞换热器出口气流温度控制方法包括如下步骤：

步骤S1:获取压缩机的目标吸气压力P1，其中，P1=P0+ΔP1，P0为实验工况下目标温度T0所对应的制冷剂饱和蒸发压力P0，ΔP1为压力变化经验值；

步骤S2:将压缩机的实际吸气压力PA调整到满足以下关系：|PA-P1|＜ΔP2，其中，ΔP2为预设压力变化值；

步骤S3:压缩机运行预定时间后，将所述换热器的进液调节阀开度设置为K1，将所述回气调节阀开度设置为K2；

步骤S4:开启所述制冷剂屏蔽泵对所述换热器供液；

步骤S5:将换热器的实际出口温度TA调整到满足以下关系：|TA-T0|＜ΔT，其中，ΔT为预设温度变化值。

2.根据权利要求1所述的一种结冰风洞换热器出口气流温度控制方法，其特征在于：

在步骤S2中，当PA-P1>ΔP2时，且所述压缩机当前能级<99%，执行压缩机增载；当P1-PA≧ΔP2时，且所述压缩机当前能级>2%，执行压缩机减载；当-ΔP2<P1-PA<ΔP2，所述压缩机能级保持不变。

3.根据权利要求1所述的一种结冰风洞换热器出口气流温度控制方法，其特征在于：

在步骤S3中，压缩机运行预定时间T分钟后，将所述进液调节阀开度K1设置为A%，将所述回气调节阀开度K2设置为B%；其中，0<T<5，0<A<5，10<B<15。

4.根据权利要求1所述的一种结冰风洞换热器出口气流温度控制方法，其特征在于：

在步骤S5中，当TA-T0>ΔT，所述回气调节阀开度K2<C%时，调高所述回气调节阀门开度；当T0-TA≧ΔT，所述回气调节阀开度K2>D%时，调低回气调节阀门开度；当-ΔT<T0-TA<ΔT，所述回气调节阀门开度保持，90<C<100，0<D<5。

5.根据权利要求1所述的一种结冰风洞换热器出口气流温度控制方法，其特征在于：所述ΔT设置为0.1℃-0.3℃。

6.根据权利要求1所述的一种结冰风洞换热器出口气流温度控制方法，其特征在于：所述ΔP1取值范围为0.1bar-0.4bar。

7.根据权利要求1所述的一种结冰风洞换热器出口气流温度控制方法，其特征在于：所述ΔP2取值范围为0.005bar-0.015bar。

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