以气体作为传热介质的回热式闭式调温系统及其温控方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及航空航天领域内环境模拟设备的温控技术，尤其涉及一种以气体作为传热介质的回热式闭式调温系统及其温控方法。
【背景技术】
[0002]航天器热真空试验是在地面模拟的空间真空压力和热应力环境下进行的模拟试验，其高低温环境是采用具有一定温度的热沉通过辐射热交换实现，为了获得高低温环境的要求，必须要求空间环境模拟设备内的热沉系统控制在试验所需的特定温度，在用气体作为导热循环介质的回热式闭式空间环境模拟设备的热沉控温系统中，就需要很好的配合加热器升温和液氮制冷才能达到精准的温度控制。因加热器和液氮制冷分布式工作控制比较困难，现有温控系统绝大多数将加热器和制冷管道串联到同一个控温系统中，在高低温控制过程中，采用冷热对冲等控制方法实现温度的平衡，这不仅大大的浪费了资源，还容易造成温度很难达到平衡稳定的控制要求。还有一部分直接应用液氮沸腾模式+加热笼、太阳模拟器等实现冷热对冲来达到特定温度的控制要求。此种控制方法虽然能够实现热真空、热平衡实验中特定温度的控制要求，但从资源方面讨论实为不经济的。
【发明内容】
[0003]有鉴于此，本发明提供了一种以气体作为传热介质的回热式闭式调温系统及其温控方法，避免系统中的加热器和液氮流量调节阀频繁交替启动造成的温度控制难以达到平衡的问题，同时也杜绝了因为冷热对冲造成的资源浪费。
[0004]为了解决上述技术问题，本发明是这样实现的:
[0005]一种以气体作为传热介质的回热式闭式调温系统，包括:循环风机、排空阀、二通道回热器、水冷换热器、液氮流量调节阀、气液混合器、通用截止阀、加热截止阀、制冷截止阀、加热器、压力传感器、热沉、液氮储槽和汽化器；
[0006]循环风机出口管路依次连接水冷换热器、二通道回热器的其中一个通道后分为并联的两路，一路依次连接加热截止阀和加热器，另一个路依次连接通用截止阀、气液混合器和制冷截止阀，然后两路合为一路，接着依次连接传感器、热沉、二通道回热器的另一个通道后回到循环风机入口，形成闭式管路；
[0007]液氮储槽出口管路分为两路，一路经由汽化器连接循环风机的出口管路，另一路经过液氮流量调节阀为气液混合器提供冷量；循环风机入口连接排空阀；
[0008]该闭式管路中进一步设置加热器出口温度传感器、加热器中心温度传感器、热沉进口温度传感器、循环风机进口温度传感器、二通道回热器出口温度传感器以及气液混合器出口温度传感器；
[0009]该系统还包括控制模块，用于实施调温控制，该控制模块连接各传感器、需要控制的阀门和加热器。
[0010]本发明还提供了一种如权利要求所述以气体作为传热介质的回热式闭式调温系统的温控方法，包括加热过程和降温过程；
[0011]控制模块开始控制后，最初按照Tsp-TpV>0进行判断，如果该条件满足，则判定进入加热过程；反之，判定进入为降温过程；其中，Tsp是设定的热沉温度，Tpv是由热沉内部传感器获得的热沉内部温度反馈值；
[0012]在降温过程中，如果出现Tsp-Tpv>允许范围上限TO的情况，则进入加热过程，反之停留在降温过程，继续进行Tsp-Tpv>允许范围上限TO的判断；
[0013]在加热过程中，如果出现Tsp-Tpv〈允许范围下限即-TO的情况，则进入降温过程，反之停留在加热过程，继续进行Tsp-Tpv〈允许范围下限即-TO的判断；
[0014]在加热过程中，气液混合器后端的通用截止阀、制冷截止阀和液氮流量调节阀始终关闭，加热截止阀打开，加热器开始工作；气体从循环风机的出口开始经过水冷换热器、二通道回热器一个通道、加热器、热沉、二通道回热气另一通道返回循环风机，如此往复循环；
[0015]在降温过程中，加热器后端的加热截止阀始终关闭，所述气液通用截止阀、制冷截止阀和液氮流量调节阀打开，加热器停止工作；气体从循环风机的出口开始经过水冷换热器、二通道回热器一个通道进入气液混合器与液氮流量调节阀进来的液氮混合，混合后低温的气体经过热沉、二通道回热气另一通道返回循环风机，如此往复循环；
[0016]在加热过程和降温过程中，循环风机始终保持工作状态，压力传感器采集闭式管路的当前压力，当闭式管路中压力超过压力范围底线时，排空阀保持关闭，氮气通过液氮储槽、经过汽化器、补充到循环风机的出口，在闭式管路压力超过压力范围上线时，排空阀被控打开完成泄压，使闭式管路始终保持恒定压力。
[0017]在降温过程中的控制优选方案包括:
[0018]在降温过程中，将热沉进口温度记为Ta，则当Ta-Tsp > 3°C时，控制模块控制排空阀保持打开状态；当Ta-Tsp ( 3°C时，比较压力传感器获得的管路压力和设定的闭式管路绝对压力优选值，如果管路压力大于闭式管路绝对压力优选值，则控制排空阀打开进行泄压，否则，压力不足，控制排空阀关闭。
[0019]在降温过程中，控制模块在热沉的反馈温度达到热沉设定温度Tsp附近设定范围时，检测气液混合器出口温度传感器显示值和热沉进口温度传感器显示值的温差值，如果温差值超过允许温差范围上限，则关闭液氮流量调节阀，限制降温过程中的超调。
[0020]在加热过程中的控制优选方案包括:
[0021]在加热过程中，当加热器单位时间内的温度变化值大于设定温度变化速率β时，降低加热器的加热功率。
[0022]在加热过程中，当加热器中心温度传感器和加热器出口温度传感器之差超过设定差值门限Λ I时，控制模块限制加热器的加热功率。
[0023]在加热过程中，当热沉进口温度与加热器中心温度之差超过设定差值门限Λ 2时，控制模块降低加热器的加热功率。
[0024]此外，当热沉进口温度与热沉设定温度Tsp之差小于设定小值ε时:在加热过程中，限制加热器加热功率；在降温过程中，限制液氮流量调节阀的开度以控制制冷功率。
[0025]当循环风机进口温度超过设定风机进口温度门限Τ3时，风机停止工作，并报警。
[0026]二通道回热器出口温度传感器实时反应二通道回热器进行热交换的工作效率，根据热交换的工作效率进行运行状态的监控。
[0027]有益效果:
[0028]本发明的温度控制系统中同时存在加热装置和液氮制冷装置，加热装置和液氮制冷装置并联，其中一个工作时，另外一个被截止，且采用保持型接通延时定时器原理进行控制，防止加热器9和液氮流量调节5阀频繁交替启动，造成温度控制难以达到平衡。
[0029]同时系统加热和降温是两个独立的过程，杜绝了因为冷热对冲造成的资源浪费。
【附图说明】
[0030]图1为本发明以气体作为传热介质的回热式闭式调温系统的原理图。
【具体实施方式】
[0031 ] 下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
[0032]本发明提供了一种以气体作为传热介质的回热式闭式调温系统，如图1所示，该系统包括循环风机1、排空阀2、二通道回热器3、水冷换热器4、液氮流量调节阀5、气液混合器6、通用截止阀7、加热截止阀10、制冷截止阀8、加热器9、压力传感器11、热沉12、液氮储槽13和汽化器14。
[0033]循环风机I出口管路依次连接水冷换热器4、二通道回热器3的其中一个通道后分为并联的两路，一路依次连接加热截止阀10、加热器9，另一个路依次连接通用截止阀7、气液混合器6、制冷截止阀8，然后两路合为一路，接着依次连接传感器11、热沉12、二通道回热器3的另一个通道后回到循环风机I入口，形成闭式管路。
[0034]液氮储槽13出口管路分为两路，一路经由汽化器14连接循环风机I的出口管路，另一路经过液氮流量调节阀5为气液混合器6提供冷量；循环风机I入口连接排空阀2。
[0035]该闭式管路中进一步设置加热器出口温度传感器15、加热器中心温度传感器16、热沉进口温度传感器17、循环风机进口温度传感器18、二通道回热器出口温度传感器19以及气液混合器出口温度传感器20。
[0036]该系统由控制模块实施调温控制，该控制模块连接各