分离式热管系统控制方法及装置

1.本发明涉及分离式热管技术领域，特别是一种分离式热管系统控制方法及装置。


背景技术：

2.分离式热管是在普通热管技术的基础上发展而来旳一种高效传热技术。分离式热管的特点在于其蒸发段和冷凝段分开布置，通过管道连接组成闭合回路，不仅具有传统热管的反复相变传热和两相流动循环工作的特性，也同时具有其最显著的特点——冷凝段和蒸发段分开布置、蒸汽和冷凝回流液同方向流动。分离式热管的内部工质的循环是由重力作用和温度差导致的自然流动，其工作状态不受人为控制，在其正常运行时换热效率较为稳定。同时也说明传统分离式热管对温度的控制能力较弱，无法满足精确控温的需求。
3.在一些对控温精度要求较高的应用场景，如医用冷藏柜，主要用于药品、试剂、疫苗等长时间冷藏存放，较大的温度波动会影响储存试剂效用；精加工车间，热变形是影响加工精度的原因之一，机床受到车间环境温度的变化、电动机发热和机械运动摩擦发热的影响会造成机床各部的温升不均匀，会导致机床形态精度及加工精度的变化，因此提高温度精度有利于提高加工精度。
4.目前已有方案中采用温度传感器控制分离式热管启停运行的方式实现载荷温度控制，能够一定程度上满足较高精度的温控需求，但控温精度受限于温度传感器的测量误差，如一般热电偶的灵敏度为1℃左右、铂电阻温度传感器的灵敏度在0.2℃左右，且载荷局部位置的温度测量难以准确表征其各个部位的温度，导致最终载荷的温度波动常常超过0.5℃，难以满足精密仪器等有极高控温精度需求的特殊应用场景，而更高精度的温控器则会显著提升初投资，其较高的经济成本不利于该技术的大规模应用。

技术实现要素：

5.本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种分离式热管系统控制方法及装置，有效地控制分离式热管的载荷温度波动和平均换热速率。
6.为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种分离式热管系统控制方法，分离式热管系统包括蒸发器和冷凝器；所述蒸发器的出口与冷凝器的入口通过气相管连接；所述蒸发器的入口与所述冷凝器的出口通过液相管连接；所述气相管和/或液相管上安装有电磁阀；所述电磁阀与控制器电连接；该方法包括：
7.通过调节所述分离式热管系统的启停周期t，进而调节分离式热管系统的温度控制精度；和/或
8.通过调节所述分离式热管系统的启动时间占比，进而调节分离式热管系统的换热量；
9.其中，所述启停周期t设定为t＝t1+t2，t1、t2分别为所述电磁阀的启动时间和关闭时间。
10.本发明通过调节分离式热管的启停频率以及启动时间占比，借助不同启停频率对分离式热管蒸发器运行温度变化幅度的影响来调整分离式热管的温控精度，同时改变启动时间占比，使热管的换热时间延长或者缩短，从而增大或减小换热量。故本发明能够有效的
控制分离式热管的载荷温度波动和平均换热速率，从而实现了分离式热管在不同工况下精确控温的目的。
11.通过调节所述分离式热管系统的启动时间占比，进而调节分离式热管系统的换热量的具体实现过程包括：
12.设启停周期为t时温控精度为δt＝k(t)t，则，
13.将启停周期由t增大至mt，则温度控制精度δt增大至
14.将启停周期由t减小至nt，则温度控制精度δt减小至
15.其中，m、n分别为启停周期增大和减小的倍数；k(t)为经验控温系数，与系统结构和启停周期相关，反映了温控精度和启停周期变化的关系，可通过实验测试和计算确定。实验确定方法为：首先搭建分离式热管系统，具体系统尺寸可按实施例或实验环境具体分析设计。调节控制器，设置分离式热管系统启停周期t为2min、5min、10min、15min、20min、30min，设定系统控制温度22.5℃以及系统启动时间占比为0.5；待系统运行稳定，测量上述6组启停周期对应的温控精度δt的数据，并对数据进行计算处理，可获得相应的6组k(t)值。若要测定不同系统控制温度温或启动时间占比下的经验控温系数，可按上述方法多次测量计算，以形成k(t)值的数据库。
16.通过调节所述分离式热管系统的启动时间占比，进而调节分离式热管系统的换热量的具体实现过程包括：
17.在启停周期不变的工况下，设启动时间占比为时平均换热量为q，则，
18.若启动时间占比由增大至换热量由q增大至
19.若启动时间占比由减小至换热量由q减小至
20.其中，w、l分别为启动时间占比增大和减小的倍数；为经验换热量修正系数，与系统结构和启动时间占比相关，反映了换热量和启动时间占比的关系，可通过实验测试和计算确定。实验确定方法为：首先搭建分离式热管系统，具体系统尺寸可按实施例或实验环境具体分析设计；调节控制器，设置分离时热管系统启停时间占比为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9，设定系统控制温度为22.5℃以及系统启停周期为10min；待系统运行稳定，测量上述9组启动时间占比和系统传热量q的数据，并对数据进行计算处理，可获得相应的9组值。若要测定不同启停周期和不同控制温度温下的经验
换热系数，可按上述方法多次测量计算，以形成值的数据库。
21.本发明中，换热量与启动时间占比的关系式为：qm为启停周期为t时的最大理论传热量。此关系式表明了在相同系统条件下换热量与启动时间占比成正比关系，充分说明通过调节启动时间占比可相应地改变热管的换热量。
22.所述电磁阀设置于所述气相管上端，和/或所述液相管下端。以中断分离式热管自发形成的两相对流换热循环，并停止其蒸发器和冷凝器之间的传热，且可使热管内部气压差充分增强，以及液相管中的液态工质充分积蓄，以提升分离式热管在电磁阀打开后恢复自发换热循环和传热能力的性能。
23.本发明还提供了一种分离式热管系统控制装置，其包括：
24.第一控制单元，用于通过调节所述分离式热管系统的启停周期t，进而调节分离式热管系统的温度控制精度；
25.和/或
26.第二控制单元，用于通过调节所述分离式热管系统的启动时间占比，进而调节分离式热管系统的换热量；
27.其中，所述启停周期t设定为t＝t1+t2，t1、t2分别为所述电磁阀的启动时间和关闭时间。
28.所述第一控制单元包括：
29.第一调整模块，用于在启停周期由t增大至mt时，将温度控制精度δt增大至
30.第二调整模块，用于将启停周期由t减小至nt时，将温度控制精度δt减小至
31.其中，m、n分别为启停周期增大和减小的倍数；k(t)为经验控温系数。
32.所述第二控制单元包括：
33.第一换热量调整模块，用于在启动时间占比由增大至时，将换热量由q增大至
34.第二换热量调整模块，用于在启动时间占比由减小至时，将换热量由q减小至
35.其中，w、l分别为启动时间占比增大和减小的倍数；为经验换热量修正系数；
36.与现有技术相比，本发明所具有的有益效果为：本发明通过控制分离式热管启停频率调节分离式热管的载荷温度，降低了分离式热管载荷温度的波动。通过控制分离式热管的启动时间占比调节分离式热管的平均传热量，可以适应不同工况下的传热需求。本发明通过电磁阀即可使分离式热管在高频启停运行的基础上获得精确控温的功能，具有广泛的应用前景。
附图说明
37.图1是分离式热管系统结构示意图；
38.图2是不同启停频率下热管温度及传热量对比图；
39.图3是不同启动时间占比下热管温度及传热量对比图；
40.其中：1.蒸发器2.气相管3.冷凝器4.液相管5.常闭式电磁阀6.控制器。
具体实施方式
41.如图1所示，本发明实施例分离式热管系统包括蒸发器1、气相管2、冷凝器3、液相管4、常闭式电磁阀5、控制器6以及循环工质。本实施例蒸发器与冷凝器均采用管翅式换热器，其内部换热管内径为10mm内部换热管内径为10mm。气相管内径为10mm，由水平管段和竖直管段两部分组成，水平管段长度为1.3m，竖直管段长度为1m，液相管结构与气相管结构相同。冷凝器的位置高于蒸发器，冷凝器位于蒸发器右侧，冷凝器和蒸发器之间的垂直距离与水平距离均为1m。冷凝器出口与液相管竖直管段上端连接，入口与气相管水平管段右端连接。蒸发器出口与气相管竖直管段上端连接，入口与液相管水平管段左端连接。液相管部件上安装有常闭式电磁阀，电磁阀在关闭状态时对流体的密封性能良好，同时在通电状态时，局部阻力较小，控制器与常闭式电磁阀相连。以上所有管段材料均为紫铜，循环工质采用r134a。
42.本发明实施例分离式热管系统工作时，通过控制器设置一个启停周期内电磁阀开闭的时间参数，来控制系统传输的热量，从而达到精确控温的目的。
43.在换热工况要求下，通过控制器6设定电磁阀的启动时间t1和关闭时间t2，且启停周期t＝t1+t2。在t1时间段内，控制器6控制电磁阀5处于开启状态，分离式热管正常换热。在t2时间段内，控制器6控制电路断路，电磁阀5变换到关闭状态，蒸发器1无液态工质流经，通过冷凝器3的液态工质将聚集在液相管4中，蒸发器1换热量减小，温度逐渐升高，与冷凝器3温差逐渐拉大。经过时间t，分离式热管完成了一个周期的启停换热，紧接着在控制器6的作用下，热管将进行下一个周期的启停换热，电磁阀5启动时间和关闭时间同样为t1和t2。
44.本发明实施例中，系统温度控制精度与启停周期的关系式为：δt＝k(t)t。其中k(t)为经验控温系数，k(t)值与t的关系接近线性相关，实际关系可基于实际工况经实验测量获得。经验控温系数确定方法为：在本实施例所述分离式热管系统基础上，调节控制器，设置分离式热管系统启停周期t为2min、5min、10min、15min、20min、30min，设定系统控制温
度22.5℃以及系统启动时间占比为0.5；待系统运行稳定，测量以上6组启停周期对应的温控精度δt的数据，并对数据进行计算处理，可获得相应的6组k(t)值。若要测定不同系统控制温度温或启动时间占比下的经验控温系数，可按上述方法多次测量计算以形成k(t)值的数据库(如列表或线图)。
45.本发明实施例中，控温精度调整规则为：如启停周期为t＝10min时温控精度为δt＝k(t)t，若将启停周期由t增大至1.5t＝15min，则控温精度将相应的由δt增大至；若将启停周期由t减小至0.5t＝5min，则控温精度将相应的由δt减小至。调节所述系统的启停周期t，分离式热管的启动时间和停止时间都受到了调控。在控温精度要求较高的工况下，如疫苗的运输和保存以及芯片和精密仪器的生产车间等，要求提升控温精度由1℃至0.1℃～0.2℃，则应适当减小启停周期t，则实际温度将趋于接近设定温度，可显著降低分离式热管载荷温度波动范围，以提升其精确控温性能。
46.本发明实施例中，换热量与启动时间占比的关系式为：其中q为实际换热量，其中为启动时间占比，为经验换热量修正系数，由实际工况经实验测定，与接近线性相关，qm为起停周期为t时最大理论换热量。经验换热量修正系数确定方法为：在本实施例所述分离式热管系统基础上，设置所述分离式热管系统启动时间占比为0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9，设定系统控制温度为22.5℃以及系统启停周期为10min；待系统运行稳定，测量以上9组启动时间占比时的换热量q的数据，并对数据进行计算处理，可获得相应的9组值。若要测定不同系统控制温度温或启动时间占比下的经验控温系数，可按上述方法多次测量计算以形成值的数据库(如列表或线图)。
47.本发明实施例中，换热量调整规则为：在保证控温精度不变，即启停周期不变的工况下，如启动时间占比为时平均换热量为q；若启动时间占比由增大至增大至时实际换热量由q增大至若启动时间占比由减小至时实际换热量由q减小至所述系统处于换热需求较大的工作的环境，如大型数据中心的温控环境，当控温环境负荷发生变化，在控温精度不变的前提下，可控制启停周期不变，适
当将热管的启动时间占比增大，以加强平均换热率；在主动改变平均换热率的基础上实现载荷温度的准确调节。
48.如在一个启停周期内，电磁阀启动时间为5分钟，关闭时间为5分钟，启动时间占比为0.5。初始时刻，系统启动，控制器控制电磁阀打开，循环工质在蒸发器中蒸发为气体，通过气相管进入冷凝器，冷凝释放热量，变为液体，通过液相管回流至蒸发器，整个过程传热量为500j，载荷温度由23℃降低至22℃。在第5分钟时，电磁阀回复到关闭状态，循环停止，回流的液态工质积聚在电磁阀上方管段，分离式热管逐渐停止传热，载荷温度由22℃上升至23℃。在第10分钟时，控制器再次控制电磁阀打开，液态工质继续回流至蒸发器，再次构成循环。
49.进一步的，为了调节控温精度，可以通过改变电磁阀的启停频率，如在一个启停周期内，设置电磁阀启动时间为2分钟，关闭时间为2分钟，启停频率变高。如图2所示，在高启停频率之下，系统的载荷温度波动幅度降低至22.4℃～22.6℃，可见，在高频启停运行的工作模式下，分离式热管控温精度得到提高。
50.进一步的，为了控制分离式热管平均传热量q，可以通过改变电磁阀的启动时间占比。在同一个启停周期内，设置电磁阀启动时间为8分钟，关闭时间为2分钟。启动时间占比变大为0.8，如图3所示，启停周期内分离式热管平均传热量变大为800j。