大負(fù)載高溫變率高低溫試驗(yàn)系統(tǒng)

馬平昌，高飛，劉潔，劉玥，李紅

（北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076）

在環(huán)境試驗(yàn)中，溫度是引起產(chǎn)品失效的重要因素之一，高低溫環(huán)境導(dǎo)致產(chǎn)品熱脹冷縮、性能發(fā)生變化，并且影響產(chǎn)品的壽命。隨著溫度的變化，產(chǎn)品失效的各種過(guò)程會(huì)發(fā)生劇烈的變化[1]。溫度試驗(yàn)箱/艙是人工模擬環(huán)境試驗(yàn)中使用時(shí)間最長(zhǎng)、用量最大的一種設(shè)備，航空、航天、兵器、電子很多產(chǎn)品均需要在其環(huán)境內(nèi)進(jìn)行性能檢測(cè)試驗(yàn)[2-3]，此外溫度環(huán)境也是其他綜合試驗(yàn)的基本環(huán)境[4-5]。隨著各類武器裝備的發(fā)展，各類產(chǎn)品裝備使用的環(huán)境越來(lái)越嚴(yán)苛，所以裝備環(huán)境適應(yīng)性的試驗(yàn)需求急劇增大，試驗(yàn)方對(duì)溫度環(huán)境試驗(yàn)系統(tǒng)的空間和性能也提出了更高的要求[6-8]。目前的環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備在大溫變率過(guò)程中，溫度的非線性現(xiàn)象明顯，試驗(yàn)區(qū)均勻性較差[9]，而對(duì)于大空間環(huán)境試驗(yàn)設(shè)備滿足其內(nèi)部的溫度均勻度是非常大的技術(shù)難題[10-11]。

為了滿足航空、航天、兵器等產(chǎn)品的試驗(yàn)，并且考慮到相關(guān)產(chǎn)品的外形特點(diǎn)，建設(shè)了一套大負(fù)載高溫變率細(xì)長(zhǎng)型非標(biāo)高低溫試驗(yàn)系統(tǒng)。其環(huán)境溫變率最高可達(dá)5 ℃/min，以滿足產(chǎn)品實(shí)測(cè)環(huán)境溫變率，并保證高低溫試驗(yàn)系統(tǒng)的有效工作區(qū)溫度在升降溫階段能實(shí)現(xiàn)較好的溫度變化跟隨性，在穩(wěn)定階段具有較好的空間均勻性和波動(dòng)性。

1 試驗(yàn)系統(tǒng)基本要求

試驗(yàn)系統(tǒng)基本要求如下：有效工作區(qū)的溫度范圍為5～50 ℃；有效負(fù)載為1.0 t（鋁）；有效工作區(qū)的環(huán)境溫變率為 5 ℃/min；有效工作區(qū)的溫度均勻度：≤2 ℃（穩(wěn)定時(shí)）；有效工作區(qū)的溫度波動(dòng)度為±1 ℃；試驗(yàn)艙入口溫度限制為-40～85 ℃；試驗(yàn)艙有效工作區(qū)尺寸為φ1600 mm×2500 mm；試驗(yàn)艙壓力為常壓。

大負(fù)載高溫變率高低溫試驗(yàn)系統(tǒng)相對(duì)于傳統(tǒng)的溫箱，對(duì)加熱制冷方式提出了更高的要求。由于艙體高度方向尺寸較大，如何保證其有效工作區(qū)的溫度均勻度以及波動(dòng)度成為設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。

2 主要結(jié)構(gòu)及工作原理

高低溫試驗(yàn)系統(tǒng)是采用對(duì)流換熱的方式提供所需要的試驗(yàn)溫度環(huán)境，為實(shí)現(xiàn)高低溫試驗(yàn)系統(tǒng)具有大負(fù)載高溫變率的能力，試驗(yàn)系統(tǒng)采用大功率風(fēng)道式的電阻加熱方式以及液氮霧化制冷方式。高低溫試驗(yàn)系統(tǒng)主要由加熱系統(tǒng)、制冷系統(tǒng)、送風(fēng)系統(tǒng)、試驗(yàn)艙、控制系統(tǒng)等組成，系統(tǒng)原理如圖1所示。高低溫系統(tǒng)采用閉合循環(huán)單回路方式，采用閉合循環(huán)回路充分利用試驗(yàn)艙出口回氣溫度，有利于節(jié)省功率，采用單回路方式將加熱系統(tǒng)與制冷系統(tǒng)集成在同一主回路有利于實(shí)現(xiàn)冷熱平衡溫度控制。

2.1 加熱系統(tǒng)

加熱系統(tǒng)主要由大功率風(fēng)道式電阻式加熱器組成，考慮到有效工作區(qū)的溫度范圍為5～50 ℃，所以采用不銹鋼式的 U型加熱管，在風(fēng)道內(nèi)均勻布置，并可達(dá)到擾流的作用，使加熱器與循環(huán)氣流的換熱更加充分。由于系統(tǒng)要求大負(fù)載、高溫升率，因此加熱器的功率選擇至關(guān)重要。設(shè)計(jì)考慮艙內(nèi)空氣的升溫功率Qx、系統(tǒng)負(fù)載升溫功率Qg、試驗(yàn)負(fù)載升溫功率Qd以及系統(tǒng)漏熱功率 QL，考慮一定的設(shè)計(jì)余量，最終選擇電加熱器的電功率為500 kW。

各負(fù)載升溫功率計(jì)算公式為：

式中：c為定壓比熱容，J/(kg·K)；m為負(fù)載質(zhì)量，kg；為相應(yīng)的溫升率，℃/s。

漏熱功率計(jì)算公式為：

式中：K為等效傳熱系數(shù)，W/(m2·K)；A為漏熱面積m2；ΔT為試驗(yàn)艙內(nèi)部與外界環(huán)境的溫差，℃。

2.2 制冷系統(tǒng)

為滿足大負(fù)載、大降溫率的設(shè)計(jì)要求，制冷系統(tǒng)主要利用液氮的汽化潛熱進(jìn)行制冷，將液氮通入主管路發(fā)生汽化，進(jìn)行制冷。通過(guò)調(diào)節(jié)液氮管路上的低溫流量調(diào)節(jié)閥來(lái)控制噴入主管路中的液氮量，從而控制相應(yīng)的制冷功率。

由于液氮汽化膨脹會(huì)使送風(fēng)管路內(nèi)的局部壓力升高，造成噴出液氮不連續(xù)，這樣會(huì)導(dǎo)致降溫時(shí)溫度波動(dòng)較大，且會(huì)產(chǎn)生較大的溫度超調(diào)，難以控制。在液氮輸送管末端設(shè)計(jì)霧化裝置，其原理如圖2a所示。霧化裝置使高壓液氮霧化形成高速噴霧，其噴射方向順著氣流方向，高速噴霧對(duì)周圍高溫氣流進(jìn)行引射，促進(jìn)液氮與氣流的混合接觸，從而充分利用液氮的汽化潛熱，混合氣流經(jīng)過(guò)一定長(zhǎng)度的混合裝置，形成溫度較為均勻的低溫氣體，經(jīng)主管路送入試驗(yàn)艙。利用引射原理與霧化器霧化的共同作用，使液氮連續(xù)進(jìn)入循環(huán)風(fēng)道中，從而改善了低溫系統(tǒng)的控制環(huán)境。實(shí)際液氮霧化裝置效果如圖2b所示。

2.3 送風(fēng)系統(tǒng)

送風(fēng)系統(tǒng)采用離心風(fēng)機(jī)進(jìn)行循環(huán)供氣，試驗(yàn)艙采用上進(jìn)下回的氣流方式建立有效的試驗(yàn)環(huán)境。離心風(fēng)機(jī)前方設(shè)置流量調(diào)節(jié)閥，根據(jù)試驗(yàn)艙內(nèi)負(fù)載的大小對(duì)供氣流量進(jìn)行調(diào)節(jié)。試驗(yàn)艙進(jìn)氣端設(shè)計(jì)進(jìn)氣擾流器，對(duì)試驗(yàn)艙送氣進(jìn)行擾動(dòng)增加氣流的湍流度，從而有利于試驗(yàn)艙內(nèi)溫度混合。由于試件自身的大熱容以及與試驗(yàn)艙外界的熱交換，有效工作區(qū)的各環(huán)境溫度測(cè)點(diǎn)不可避免地具有一定的溫度梯度，所以為保證有效試驗(yàn)區(qū)的各環(huán)境溫度測(cè)點(diǎn)具有較好的均勻度，必須對(duì)循環(huán)送風(fēng)的流量進(jìn)行合理設(shè)計(jì)[12-13]。

考慮實(shí)際空間含有一定的水分，空氣定壓比熱容取 cg=1.4 kJ/(kg·K)，由于試驗(yàn)艙的進(jìn)入最高溫度為85 ℃，考慮沿程熱量的損失，設(shè)計(jì)加熱器出口最高溫為90 ℃，取加熱器進(jìn)口溫度為-20 ℃（考慮冬季環(huán)境溫度），即ΔT=110 ℃，所以送氣流量為3.25 kg/m3?？紤]系統(tǒng)阻力損失，最終選擇離心風(fēng)機(jī)的最大風(fēng)量為10 000 N·m3/h，全壓為 3000 Pa。

此外為保證系統(tǒng)壓力正常，進(jìn)而確保系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)安全性，在主送氣管路靠近艙體入口位置處設(shè)置安全閥。當(dāng)系統(tǒng)進(jìn)行加熱或制冷時(shí)，由于空氣自身的受熱膨脹或液氮?dú)饣蛎洉?huì)導(dǎo)致系統(tǒng)壓力升高，一旦超過(guò)設(shè)計(jì)安全壓力時(shí)，系統(tǒng)將進(jìn)行自動(dòng)泄壓。

2.4 試驗(yàn)艙

試驗(yàn)艙用于建立有效高低溫試驗(yàn)環(huán)境，由于試驗(yàn)艙內(nèi)有效工作區(qū)間要求溫度均勻度≤2 ℃，溫度波動(dòng)度≤±1 ℃，所以對(duì)于試驗(yàn)艙的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了很高的要求，試驗(yàn)艙的結(jié)構(gòu)直接影響工作區(qū)的溫度環(huán)境。為減小試驗(yàn)艙漏熱對(duì)艙內(nèi)環(huán)境的影響，試驗(yàn)艙壁采用夾層式結(jié)構(gòu)，內(nèi)箱壁采用優(yōu)質(zhì)高級(jí)不銹鋼板（SUS304），外壁采用優(yōu)質(zhì)冷軋鋼板，中間夾層使用導(dǎo)熱系數(shù)小、吸水性小、強(qiáng)度高、高溫下性能穩(wěn)定的隔熱材料進(jìn)行保溫，同時(shí)考慮消防安全，絕熱材料中添加阻燃劑，防止溫度過(guò)高引起火災(zāi)事故。

試驗(yàn)艙進(jìn)氣位置設(shè)計(jì)擴(kuò)壓減速段，以降低來(lái)流速度，減小送風(fēng)流速對(duì)于試驗(yàn)產(chǎn)品的影響和流阻損失。此外一定程度地降低有效工作區(qū)的空氣流速，可以減小當(dāng)?shù)乜諝馀c艙體的對(duì)流換熱能力，從而降低有效工作區(qū)高度方向的溫度梯度。由于試驗(yàn)艙擴(kuò)壓段的擴(kuò)張比較大（穩(wěn)定段截面積/入口截面積），設(shè)計(jì)擴(kuò)壓段高度為4000 mm，此時(shí)擴(kuò)壓段擴(kuò)張角約為14°；擴(kuò)壓段內(nèi)設(shè)計(jì)導(dǎo)流錐，進(jìn)一步防止入口氣流分離，形成漩渦”死區(qū)”，從而造成局部的高溫或低溫區(qū)；擴(kuò)壓段后設(shè)計(jì)一段平直段用于穩(wěn)定來(lái)流，高度約為1000 mm，從而保證試驗(yàn)艙各截面內(nèi)溫度較為均勻。有效工作區(qū)尺寸根據(jù)技術(shù)要求設(shè)計(jì)為φ1600 mm×2500 mm。試驗(yàn)艙體的下段與上段結(jié)構(gòu)尺寸基本相同，具體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.5 控制系統(tǒng)

根據(jù)試驗(yàn)需要，產(chǎn)品需要完成連續(xù)多個(gè)剖面溫度曲線的高低溫試驗(yàn)，要求控制系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行可靠，所以選擇了西門子公司的S7-300PLC作為控制系統(tǒng)的硬件，并開(kāi)發(fā)了用于試驗(yàn)的高低溫控制軟件。如圖 4所示，控制系統(tǒng)分為低溫制冷控制、加熱升溫控制以及信號(hào)采集功能?？刂葡到y(tǒng)根據(jù)采集的被控點(diǎn)溫度信號(hào)，經(jīng)過(guò)閉環(huán)控制算法，通過(guò)調(diào)節(jié)低溫電動(dòng)調(diào)節(jié)閥、加熱調(diào)功模塊分別控制降溫過(guò)程和加熱升溫過(guò)程。

由于該系統(tǒng)采用對(duì)流換熱的方式，溫度控制具有慣性大、滯后的特點(diǎn)，傳統(tǒng)PID控制算法不能滿足高精度的溫度控制[14]。由于系統(tǒng)慣性、滯后的特點(diǎn)，PID控制算法中積分項(xiàng)不斷累積，當(dāng)需要回調(diào)控制量時(shí)，PID控制算法的總輸出響應(yīng)緩慢，不能及時(shí)調(diào)整控制量，所以在PID控制算法中引入了積分分離功能。

傳統(tǒng)積分分離的基本思想為：當(dāng)被控量與設(shè)定值的偏差|e(k)|大于某特定值時(shí)，取消積分的作用，執(zhí)行PD控制，減少系統(tǒng)的穩(wěn)定時(shí)間；而當(dāng)|e(k)|小于這個(gè)特定值時(shí)，啟動(dòng)積分作用，執(zhí)行PID作用，降低穩(wěn)態(tài)誤差。該系統(tǒng)具有大慣性、大滯后的特點(diǎn)，變溫過(guò)程中執(zhí)行PD控制，但是比例-微分作用在溫度逼近目標(biāo)值時(shí)對(duì)系統(tǒng)輸出功率起抑制作用，所以傳統(tǒng)的積分分離盡管解決了系統(tǒng)大超調(diào)的問(wèn)題，但是進(jìn)入穩(wěn)定階段后，逼近目標(biāo)溫度所需要時(shí)間較長(zhǎng)。

為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小超調(diào)、小穩(wěn)態(tài)誤差，快速逼近目標(biāo)溫度，該控制方法對(duì)傳統(tǒng)積分分離PID方法進(jìn)行了改進(jìn)。通過(guò)調(diào)試試驗(yàn)，設(shè)置PID控制誤差帶ε，系統(tǒng)設(shè)備輸出量U為：

當(dāng)|e(k)|<ε時(shí)，啟動(dòng) PID控制，當(dāng)|e(k)|>ε時(shí)，積分誤差不再累積進(jìn)行保持，形成系統(tǒng)輸出的直流分量δ。由此目標(biāo)溫度在進(jìn)入溫度保持階段時(shí)，由于對(duì)升降溫過(guò)程積分誤差累計(jì)作用的削弱，系統(tǒng)固有滯后性所帶來(lái)的大超調(diào)現(xiàn)象得以解決，并且目標(biāo)溫度實(shí)現(xiàn)了快速穩(wěn)定保持。

圖5為傳統(tǒng)PID控制算法和加改進(jìn)型積分分離后的PID算法控制效果的對(duì)比。如圖5a所示，直接使用傳統(tǒng) PID算法進(jìn)行控制時(shí)，系統(tǒng)升溫過(guò)程存在波動(dòng)，且超調(diào)量達(dá)到 3 ℃，穩(wěn)態(tài)時(shí)存在周期波動(dòng)，穩(wěn)態(tài)誤差達(dá)到2 ℃。為此，控制算法加入積分分離后，在誤差過(guò)大時(shí)，關(guān)閉積分累加。升溫過(guò)程平穩(wěn)，超調(diào)量為 1 ℃，隨后進(jìn)入保溫過(guò)程，保溫過(guò)程中，無(wú)波動(dòng)現(xiàn)象，控制點(diǎn)反饋溫度基本與設(shè)定溫度重合，穩(wěn)態(tài)誤差<0.5 ℃，如圖5b所示。由此可見(jiàn)，控制系統(tǒng)及控制算法滿足了試驗(yàn)要求。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

在試驗(yàn)艙內(nèi)擱置真實(shí)負(fù)載，在艙體入口和出口分別設(shè)置溫度傳感器，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的送氣/回氣溫度，在有效工作區(qū)均勻布置4個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)，并選取溫度測(cè)點(diǎn)1作為主控制溫度點(diǎn)，如圖6所示。溫度控制點(diǎn)的溫度范圍設(shè)定為5～50 ℃，驗(yàn)證其5 ℃/min溫變率能力以及穩(wěn)態(tài)自動(dòng)控制效果，試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

在升降溫階段中，溫控點(diǎn)具有良好的溫度跟隨性，滿足5 ℃/min的升降溫速率要求。升溫階段，溫度控制點(diǎn)的高溫超調(diào)量為2.2 ℃，隨后溫度控制點(diǎn)溫度逐漸趨于平穩(wěn)進(jìn)行保溫，保溫階段的穩(wěn)態(tài)誤差不大于0.5 ℃；降溫階段，由于低溫制冷方式不存在大慣性的特點(diǎn)，所以溫度超調(diào)量較小，為0.7 ℃，隨后溫度控制點(diǎn)溫度逐漸趨于平穩(wěn)進(jìn)行保溫，保溫階段的穩(wěn)態(tài)誤差不大于0.5 ℃。有效工作區(qū)內(nèi)的各溫度測(cè)點(diǎn)包括控制點(diǎn)、測(cè)點(diǎn) 2、測(cè)點(diǎn) 3、測(cè)點(diǎn) 4，保溫階段均勻性較好，保持在 2 ℃以內(nèi)。試驗(yàn)艙入口的最高溫為75.3 ℃，最低溫為－19 ℃，滿足試驗(yàn)艙入口溫度限制－40～85 ℃的要求。高溫保持時(shí)試驗(yàn)艙進(jìn)出口的溫差為 20 ℃，低溫保持時(shí)試驗(yàn)艙進(jìn)出口的溫差為 10℃，進(jìn)出口溫差較大主要是因?yàn)檫M(jìn)口擴(kuò)壓段與出口收縮段內(nèi)流速較高導(dǎo)致的漏熱較大。此外高溫保持時(shí)試驗(yàn)艙進(jìn)出口溫差較低溫保持時(shí)大，其原因在于高溫保持時(shí)艙內(nèi)與外界環(huán)境溫差較大，導(dǎo)致漏熱較大。

4 結(jié)語(yǔ)

文中對(duì)大負(fù)載高溫變率高低溫試驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理和結(jié)構(gòu)進(jìn)行了闡述，介紹了一種閉合循環(huán)單回路方式的高低溫系統(tǒng)形式。通過(guò)對(duì)加熱、制冷方式的設(shè)計(jì)，滿足了試驗(yàn)系統(tǒng)大負(fù)載高溫變率的要求。此外結(jié)合送風(fēng)系統(tǒng)的擾流設(shè)計(jì)、低溫系統(tǒng)的引射霧化設(shè)計(jì)、試驗(yàn)艙的氣動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及使用溫度積分分離的控制策略，解決了大空間試驗(yàn)艙、大負(fù)載試驗(yàn)件所造成的溫度均勻度和波動(dòng)度的設(shè)計(jì)難點(diǎn)，有效工作區(qū)各溫度測(cè)點(diǎn)溫度均勻度保持在2 ℃以內(nèi)，溫度波動(dòng)度保持在±0.5 ℃以內(nèi)。