CN213690627U - 一种流动传热与自动控制研究平台 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种流动传热与自动控制研究平台。本平台中冷却水塔与冷水机组连接；冷却水塔设有两输出端，用于将冷却水塔内的气体分为二两路，一路通过第一电磁调节阀以高压常温气体来模拟制冷机中高压低温气体，另一路依次通过第二电磁调节阀和电加热器，以高压加热气体来模拟制冷机中高压常温气体，高压常温气体和高压加热气体经管段进行兑温混合，混合气体经过串联的第一长螺旋管、第二长螺旋管、第三长螺旋管和第四长螺旋管，从第四长螺旋管出来的气体依次经过第一开关阀门和第二开关阀门到达串联的第一超导设备和第二超导设备，第一超导设备和第二超导设备用于吸收气体中的热量使得自身温度升高，用升温效果来模拟超导设备降温过程。

Description

一种流动传热与自动控制研究平台

技术领域

本实用新型涉及流动传热与自动控制领域，具体涉及一种流动传热与自动控制研究平台。

背景技术

近些年国家新建的大科学工程(PAPS、HEPS、SHINE、CIADS、HIAF、CEPC等)均采用了大型氦低温系统为超导设备提供冷量。受限于工程场地规划和振动要求等，冷源距离实际用冷设备(超导腔或超导磁体)的距离通常较远(百米量级)，且用冷设备不能承受太大热应力，对降温速率提出较高要求。现有降温手段通常采用在制冷机中将高压常温气体和高压低温气体混合后，再经过低温传输管线输送至用冷设备处进行降温。在降温过程中，由于管道较长，且横跨温区较大，带来热物性变化剧烈，因此其流动传热过程具有非稳态、非线性、大迟滞性等特点，通常具有迟滞特性的系统没有准确的数学模型，使用传统的PID控制系统很难取得理想的动态性能，所以传统的控制系统很难对具有迟滞特性的系统实现理想的控制(参考Laslle J P.Stability Theory for Ordinary Differential Equations[J].Journal of Differential Equations,1968,4(1):57-65；黄琳,秦化淑.复杂控制系统理论：构想与前景[J].自动化学报.1993,19(2):129-137；Baumann W.T.Feedback controlof multi-input nonlinear systems by extended linearization[J].IEEETransactions on Automatic Control,1988,33(2):193-197；阳丹.迟滞非线性系统建模与控制[D].南华大学,2014)。目前用冷设备的降温/复温过程通常做法是采用人工手动控制的方式进行缓慢的降温/复温，持续时间通常长达几十个小时，需要值班人员不断手动调节兑温阀门来控制降温速率，效率低且不具有可重复性，且较为依赖值班人员降温经验。

基于以上原因，目前亟待发展一种更加智能的自动控制系统，用于用冷设备的降温/复温过程。此外，如在大型低温系统平台上直接开展实验测试，需要运行氦制冷机及附属设备，成本极高。

实用新型内容

为了克服现有大型低温系统中，距离冷源较远的用冷设备降温过程难以精确控制，现有手动控制方式效率低且不具有可重复性的不足,本实用新型提供一种灵活经济的小型流动传热与自动控制研究平台，可以模拟长距离冷量输送过程的非稳态流动传热现象，所得结果可以轻易推广到大型低温系统平台的降温过程中。

本实用新型的技术方案为：

一种流动传热与自动控制研究平台，其特征在于，包括

空气压缩机001，其通过一段管路与冷却水塔002连接，用于将空气输入冷却水塔002；

冷却水塔002与冷水机组016连接；冷却水塔002设有两输出端，用于将冷却水塔002内的气体分为二两路输出，一路通过第一电磁调节阀003以高压常温气体来模拟制冷机中高压低温气体，另一路依次通过第二电磁调节阀004和电加热器005，以高压加热气体来模拟制冷机中高压常温气体，高压常温气体和高压加热气体经管段006进行兑温混合，混合后的气体经过串联的第一长螺旋管007、第二长螺旋管008、第三长螺旋管009和第四长螺旋管010，从第四长螺旋管010出来的气体依次经过第一开关阀门011和第二开关阀门012到达串联的第一超导设备013和第二超导设备014，第一超导设备013和第二超导设备014用于吸收气体中的热量使得自身温度升高，用升温效果来模拟超导设备降温过程；

从第二超导设备014出来的气体经过第三开关阀门015进入冷却水塔002中冷却后排到大气中；

管段006的输出端、第一长螺旋管007的输出端、第二长螺旋管008的输出端、第三长螺旋管009的输出端分别可经一开关阀与开关阀门012连接，到达串联的第一超导设备013和第二超导设备014；第一开关阀门011的输出端依次经第五开关阀门018、第六开关阀门019连接；第一超导设备013的输出端经一开关阀与第六开关阀门019的输入端连接；

其中当高压常温气体和高压加热气体在管段006进行兑温混合，混合温度未达到目标温度时，混合气经过第四开关阀门017进入冷却水塔002冷却后排空；当只研究沿途管段升温而不研究对超导设备升温过程时，混合后的气体经第一长螺旋管007、和或第二长螺旋管008、和或第三长螺旋管009、和或第四长螺旋管010后，经过第一开关阀门011、第五开关阀门018和第六开关阀门019进入到冷却水塔002中冷却后排空；其中第一长螺旋管007、第二长螺旋管008、第三长螺旋管009和第四长螺旋管010用于组合模拟不同距离的低温传输管线降温过程。

进一步的，空气压缩机001与冷却水塔002连接管路上设有压力传感器P₁，第一电磁调节阀003与管段006之间设有压力传感器P₂和流量计F₁；第二电磁调节阀004与电加热器005之间的连接管路上设有压力传感器P₃和流量计F₂；管段006与第一长螺旋管007之间的连接管路上设有压力传感器P₄，冷水机组016的气体排出管路上设有流量计F₃。

进一步的，所述流量计F₁为涡街流量计，所述流量计F₂为涡街流量计，所述流量计F₃为热式流量计。

进一步的，管段006上设置有温度传感器T₀₁，第一长螺旋管007的输入端设置有温度传感器T₀₂，第二长螺旋管008的输入端设置有温度传感器T₀₃，第三长螺旋管009的输入端设置有温度传感器T₀₄，第四长螺旋管010的输入端设置有温度传感器T₀₅，第四长螺旋管010的输出端设置有温度传感器T₀₆，第一开关阀门011的输出端设置有温度传感器T₀₇，第一电磁调节阀003的输出端设置有温度传感器T₀₈，第二电磁调节阀004和电加热器005的输出端设置有温度传感器T₀₉。

进一步的，还包括一测控模块，用于控制第一电磁调节阀003、第二电磁调节阀004的开度。

进一步的，所述测控模块，用于接收采集的流动传热与自动控制研究平台温度、压力、流量传感器信号，并将其发送到上位机终端，以及接收上位机的控制信号控制第一电磁调节阀003、第二电磁调节阀004的开度。

相较于现有技术，本实用新型提供的流动传热与自动控制多功能实验平台具有如下优点：

第一，本实用新型平台利用模型预测控制算法MPC，有别于传统的PID控制方法无法解决迟滞性系统难以实现理想控制的问题，可实现时域滚动优化，在线求解非稳态管内流的一维离散方程并获得阀门开度，进而实现自动升温过程。

第二，本实用新型平台设置百米量级长螺旋管007～010和沿途温度传感器T₀₁～T₀₉，可以研究常温或加热条件下的非稳态、非线性、大迟滞性的流动传热现象，可极大地降低实验成本。

附图说明

图1为本实用新型的平台流程示意图。

图2为本平台基于MPC控制方法用于超导设备升温过程的原理图。

图3为基于MPC的流动传热与自动控制的具体实施步骤框图。

图4为非稳态管内流的一维离散形式示意图。

图5为理想等百分比阀门开度与流量的关系图。

其中，001-空气压缩机，002-冷却水塔，003-第一电磁调节阀，004-第二电磁调节阀，005-电加热器，006-管段，007-第一长螺旋管，008-第二长螺旋管，009-第三长螺旋管，010-第四长螺旋管，011-第一开关阀门，012-第二开关阀门，013-第一超导设备，014-第二超导设备，015-第三开关阀门，016-冷水机组，017-第四开关阀门，018-第五开关阀门，019-第六开关阀门。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行进一步详细描述。

本实用新型流动传热与自动控制研究平台的流程示意图如图1所示，在图1中，主流流动工质：空气；压力源：移动螺杆空压缩机(1.3MPa)；加热方式：电加热器；冷却方式：冷水机组+水/空气管壳换热器(冷却水塔)；隔热方式：硅酸铝棉；管道：DN25 304不锈钢电抛光管，其为长螺旋型，外部包裹绝热材料；管道连接方式：焊接和法兰，温度测量方式：PT100热电阻；压力测量方式：压力传感器和压差传感器；流量测量方式：涡街流量计*2+质量流量计*1；测控方式：PC上位机+PLC，控制电磁CV调节阀。

图1的具体流程介绍如下：空气压缩机001和冷却水塔002通过一段进气管连接，从冷却水塔002出来的气体一分为二，一路通过第一电磁调节阀003，以高压常温气体来模拟制冷机中高压低温气体，另一路通过第二电磁调节阀004和电加热器005，电加热器的最大功率为14kW，通过加热器自身的PID控温程序维持出口温度稳定，加热后的气体温度最高可达350℃，以高压加热气体来模拟制冷机中高压常温气体。高压常温气体和高压加热气体在管段006进行兑温混合，混合后的气体经过四段25m外加绝热层的长螺旋管007～010，用沿途管段升温过程来模拟低温传输管线降温过程。从第四长螺旋管010出来的气体经过第一开关阀门011和第二开关阀门012，到达串联的第一超导设备013和第二超导设备014，超导设备吸收气体中的热量使得自身温度升高，用升温效果来模拟超导设备降温过程。从第二超导设备014出来的气体经过第三开关阀门015进入冷却水塔002中，被来自冷水机组016的恒温冷却水(7℃左右)冷却后排到大气中。当高压常温气体和高压加热气体在管段006进行兑温混合，混合温度尚未达到目标温度时，混合气可经过第四开关阀门017进入冷却水塔002，被冷却后排空；当只研究沿途管段升温而不研究对超导设备升温过程时，混合后的气体可经过长螺旋管007～010，而后经过第一开关阀门011、第五开关阀门018和第六开关阀门019，进入到冷却水塔002中，被冷却后排空。长螺旋管007～010也可以根据实验需求自由组合，每个管段后端都设置有开关阀门，可以研究不同长度管段的升温效果。P₁～P₄为压力传感器，F₁～F₃为流量计，其中F₁、F₂为涡街流量计，F₃为热式流量计，T₀₁～T₀₉为温度传感器。

采用西门子S7-1200PLC作为测控模块，采集所有的温度、压力、流量传感器信号，进而通过以太网将测控数据传递到上位机终端，采用博途TIA V15作为上位机组态软件，组态后的测控界面可以将测量数据以及升温需求(升温速率、目标温度、时间间隔等)按指定的时间间隔存储到.dat文件中，然后再按指定的时间间隔调用外部计算程序，外部计算程序可根据.dat文件中的数据进行计算，并将计算结果(第一电磁调节阀门003和第二电磁调节阀门004的开度信号)反馈到组态软件中，进而反馈至控制部件(第一电磁调节阀门003和第二电磁调节阀门004)，实现自动控制过程。

外部计算程序的实现，基于模型预测控制算法(MPC,Model Predictive Control)进行时域滚动计算，在线求解开环问题获得开环控制序列。本平台基于MPC控制方法用于超导设备升温过程的基本原理图，如图2所示。

在图2中，横轴为时间，纵轴为温度，虚线代表测量值，实线代表预测值，在温度时间间隔i～i+1区间，有两个温度测量信号(T_i)^mea和(T_i+1)^mea，两个温度预测信号(T_i)^pre和(T_i+1)^pre，在每一个采样时刻，根据温度点测量信息和控制输入，在线求解一个有限时间开环问题，用新的测量值和相应的偏差信息，作为预测系统下一时刻的初始条件并重新求解，即可获得控制序列作用于被控对象。

现举一个升温过程的例子来具体说明本平台基于MPC控制方法的具体实施步骤，如图3所示。

已知条件：沿途管道的初始壁面温度为实测值T_0,01 ^mea～T_0,07 ^mea，采用插值方法得到沿途管道壁面温度分布，源头入口温度为T₀₁，管道末端温度T_0,07 ^mea作为目标测点，其要求温度T_end为500K，目标升温速率T_speed为50K/h。指定时间间隔为1h(一小时)。

由时间间隔和升温速率算出，一个时间间隔后的目标温度T_target ^pre。显然地，若想使得目标点在该时间间隔(1h)结束时的温度达到T_target ^pre，则需要控制源头入口温度和流量2个变量。其中，源头入口温度T₀₁需要高于T_target ^pre，直接假设第一个时间段入口温度T₀₁比T_target ^pre高20K(忽略沿途漏热损失)。则只需要通过迭代求解非稳态流动传热方程，求出满足要求的入口流量即可。再根据入口温度T₀₁、入口流量m_g计算等焓混合过程，得到第一电磁调节阀003后的质量流量

以及第二电磁调节阀004和电加热器005后的质量流量

继而根据计算得到的质量流量、以及阀门开度与流量的关系图即可反推出第一电磁调节阀003和第二电磁调节阀004的开度，即可实现第一个时间间隔内的自动控制过程。一个时间间隔后，目标点的实测值T_target ^mea加上T_speed即可获得第二个时间间隔后的目标点温度。采集此时的沿途管道的壁面温度测点，重新调用计算程序进行计算，即可实现第二个时间间隔内的自动控制过程。循环以上过程，直至目标点温度达到要求温度T_end(迭代收敛条件为计算得到的T_target ^pre的温度和T_target ^pre绝对差为1K以内)。

管道内流体的温度和压力遵循一维流动传热规律，离散形式示意图如图4所示。

对于控制体可列出质量、能量以及动量三大守恒方程，采用数值方法对其进行离散计算。对于任一离散单元，认为在某一时刻内，其入口温度T_i,in和出口温度T_i,out都是均匀的，且固体域内外表面温度Tw_i,inner和Tw_i,outer均为固定值。物性由定性温度和压力调用物性函数实时计算。

对于时间项，采用前向差分，显式步进方法进行计算。主要的非稳态流动传热方程如下：

(1)压降计算：

忽略重力项之后，一维管内的压降可表示为:

其中阻力因子K_i可以由弯头阻力系数

和沿途摩擦阻力系数f_ri以及管道长度L_i和管道直径D组合而成:

(2)传热计算：

由于本例中总压较低(经过第一电磁调节阀门003和第二电磁调节阀门004，有较大压力损失，T₀₁处的压力取决于备压)，整体流速基本小于0.3Ma，属于低速流的范畴，因此忽略因摩擦耗散、局部阻力等因素导致的温度升高，同时忽略辐射传热。认为温度的变化主要源自固体壁面传入的对流热量。

对于某一时刻内，认为有外部漏热加载于管道外壁面，q_{i_out}为外部漏热热流密度，同时传热达成稳态。此时有：

Q_i为单位时间内通过壁面的热流，此处的λ_i为局部管壁固体材料的热导率。

对于流体，同时有：

Q_i＝(T_i,out-T_i,in)·C_p·m_g (4)

Q_i＝h_i·(T_wi,inner-(T_i,out+T_i,in)/2)·πD_innerLi (5)

上述中，C_p为流体的定压比热容，m_g为流体的质量流量。两式分别表示某一微元段内流体内能的增加量和从外界传入的热量。其中单相管内流的对流换热系数h_i可以表示为：

h_i＝Nu·(λ/D) (6)

此处的λ是流体的导热系数，Nu为努塞尔数，D为管道的内直径。

由于T_i,in和T_wi,outer实际为边界条件，因此上式共2个未知量，分别为T_wi,inner和T_i,out。T_i,out＝T_i+1,in，构建数值方法可以依次求解第一个时间步长内各微元段的温度分布。

对于时间步长，由于管道壁面通常较薄，且热导率较大，因此不考虑径向上的非稳态因素，使用前向差分格式获得下一个时刻的外壁温度

此处step_t表示时间步长，比如在指定时间间隔1h内，迭代步长可以选取10秒一步，那么迭代步数即为6步。C_ps和ρ_s是管道金属材料的定压比热容和密度，D_outer为管道外径，D_inner为管道内径，V_i表示本段体积。

利用上述公式(1)～(7)，基于牛顿迭代法可求解获得能满足一个时间间隔内升温需求的质量流量m_g。再根据入口温度T₀₁、入口流量m_g计算混合过程，混合过程是通过第一路第一电磁调节阀003、第二路第二电磁调节阀004和电加热器005这两股流在管段006中进行混合。对于混合过程，我们认为混合前后焓值相等，第一电磁调节阀003后的温度T₀₈，压力为P₂，根据空气的物性表可由两个状态参数温度和压力查询到焓值为H₁，第二电磁调节阀004和电加热器005后的温度T₀₉，压力为P₃，根据空气的物性表可由两个状态参数温度和压力查询到焓值为H₂，根据等焓过程列能量和质量守恒方程：

即可推导出第一电磁调节阀003后的质量流量

和第二电磁调节阀004和电加热器005后的质量流量

若第一电磁调节阀003、第二电磁调节阀004两个兑温阀门均采用等百分比的理想阀门，其阀门开度与质量流量的关系如图5所示(注：阀门开度与流量的关系在阀门采购选型时可从阀门厂家获得)。根据计算得到的质量流量

和

以及阀门开度与流量的关系图可反推出第一电磁调节阀003和第二电磁调节阀004的开度，即可实现第一个时间间隔内的自动控制过程。一个时间间隔后，目标点的实测值T_target ^mea加上T_speed即可获得第二个时间间隔后的目标点温度。采集此时的沿途管道的壁面温度测点，重新调用计算程序进行计算，即可实现第二个时间间隔内的自动控制过程。循环以上过程，直至目标点温度达到要求温度T_end(迭代收敛判定依据为计算得到的T_target ^pre的温度和T_target ^pre绝对差为1K以内)。

在超导设备升温/降温过程中，由于管道较长，且横跨温区较大，带来热物性变化剧烈，因此其流动传热过程具有非稳态、非线性、大迟滞性等特点。通常，具有迟滞特性的系统没有准确的数学模型，使用传统的PID控制方法很难取得理想的动态性能，所以传统的控制系统很难对具有迟滞特性的系统实现理想的控制，因此本实用新型引入模型预测控制算法MPC，使用非稳态管内流的一维离散方程作为预测模型，在滚动时域内在线求解非稳态管内流的一维离散方程并获得阀门开度，进而实现自动升温过程。

综上所述，以上为本实用新型的部分实施方案而已，并非用于限定本实用新型的保护范围。凡在涉及通过流动传热与自动控制的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种流动传热与自动控制研究平台，其特征在于，包括

空气压缩机(001)，其通过一段管路与冷却水塔(002)连接，用于将空气输入冷却水塔(002)；

冷却水塔(002)与冷水机组(016)连接；冷却水塔(002)设有两输出端，用于将冷却水塔(002)内的气体分为二两路输出，一路通过第一电磁调节阀(003)以高压常温气体来模拟制冷机中高压低温气体，另一路依次通过第二电磁调节阀(004)和电加热器(005)，以高压加热气体来模拟制冷机中高压常温气体，高压常温气体和高压加热气体经管段(006)进行兑温混合，混合后的气体经过串联的第一长螺旋管(007)、第二长螺旋管(008)、第三长螺旋管(009)和第四长螺旋管(010)，从第四长螺旋管(010)出来的气体依次经过第一开关阀门(011)和第二开关阀门(012)到达串联的第一超导设备(013)和第二超导设备(014)，第一超导设备(013)和第二超导设备(014)用于吸收气体中的热量使得自身温度升高，用升温效果来模拟超导设备降温过程；

从第二超导设备(014)出来的气体经过第三开关阀门(015)进入冷却水塔(002)中冷却后排到大气中；

管段(006)的输出端、第一长螺旋管(007)的输出端、第二长螺旋管(008)的输出端、第三长螺旋管(009)的输出端分别经一开关阀与开关阀门(012)连接，到达串联的第一超导设备(013)和第二超导设备(014)；第一开关阀门(011)的输出端依次经第五开关阀门(018)、第六开关阀门(019)连接；第一超导设备(013)的输出端经一开关阀与第六开关阀门(019)的输入端连接；

其中当高压常温气体和高压加热气体在管段(006)进行兑温混合，混合温度未达到目标温度时，混合气经过第四开关阀门(017)进入冷却水塔(002)冷却后排空；当只研究沿途管段升温而不研究对超导设备升温过程时，混合后的气体经第一长螺旋管(007)、和或第二长螺旋管(008)、和或第三长螺旋管(009)、和或第四长螺旋管(010)后，经过第一开关阀门(011)、第五开关阀门(018)和第六开关阀门(019)进入到冷却水塔(002)中冷却后排空；其中第一长螺旋管(007)、第二长螺旋管(008)、第三长螺旋管(009)和第四长螺旋管(010)用于组合模拟不同距离的低温传输管线降温过程。

2.如权利要求1所述的流动传热与自动控制研究平台，其特征在于，空气压缩机(001)与冷却水塔(002)连接管路上设有压力传感器P₁，第一电磁调节阀(003)与管段(006)之间设有压力传感器P₂和流量计F₁；第二电磁调节阀(004)与电加热器(005)之间的连接管路上设有压力传感器P₃和流量计F₂；管段(006)与第一长螺旋管(007)之间的连接管路上设有压力传感器P₄，冷水机组(016)的气体排出管路上设有流量计F₃。

3.如权利要求2所述的流动传热与自动控制研究平台，其特征在于，所述流量计F₁为涡街流量计，所述流量计F₂为涡街流量计，所述流量计F₃为热式流量计。

4.如权利要求2或3所述的流动传热与自动控制研究平台，其特征在于，管段(006)上设置有温度传感器T₀₁，第一长螺旋管(007)的输入端设置有温度传感器T₀₂，第二长螺旋管(008)的输入端设置有温度传感器T₀₃，第三长螺旋管(009)的输入端设置有温度传感器T₀₄，第四长螺旋管(010)的输入端设置有温度传感器T₀₅，第四长螺旋管(010)的输出端设置有温度传感器T₀₆，第一开关阀门(011)的输出端设置有温度传感器T₀₇；第一电磁调节阀(003)的输出端设置有温度传感器T₀₈，第二电磁调节阀(004)和电加热器(005)的输出端设置有温度传感器T₀₉。

5.如权利要求4所述的流动传热与自动控制研究平台，其特征在于，还包括一测控模块，用于控制第一电磁调节阀(003)、第二电磁调节阀(004)的开度。

6.如权利要求5所述的流动传热与自动控制研究平台，其特征在于，所述测控模块，用于接收采集的流动传热与自动控制研究平台温度、压力、流量传感器信号，并将其发送到上位机终端，以及接收上位机的控制信号控制第一电磁调节阀(003)、第二电磁调节阀(004)的开度。

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