专利名称：一体式吹砂吹尘环境模拟系统的温度调节系统和方法
技术领域：
本发明涉及一种一体式吹沙吹尘环境模拟系统的温度调节系统和方法。
背景技术：
砂尘环境是引起许多工程和/或军用武器装备失效的一个重要环境因素，其 主要损坏类型有冲蚀、磨损、腐蚀及渗透等。吹尘和吹砂试验是检验车辆、 飞行器、电器设备、军用装备在沙漠、干旱地区和风沙天气条件下环境适应性 和环境可靠性的重要手段。
现有的吹砂吹尘环境/模拟试验装置系统采用 一 大一 小两个空调箱完成对 温度的控制。如图1所示，中国专利ZL200510000070.8/>布了一种系统，其中， 标号l为循环风道，2为大空调，3为小空调，4为表冷器翅片管，5为翅片电加热 器，6为变频调速风机，7为大空调进气通道，8为小空调进气通道，9为空调回 气通道，IO为冷水机组，ll为大空调压缩空气吹除管道，12为小空调压缩空气 吹除管道；这样的系统具有这些问题
-由于使用了空调2与空调3两个空调来控制风洞温度，使得该系统的结构 复杂，并且占用了大量的空间，大空调进气通道7、小空调进气通道8及空调回 气通道9都与循环风道1直接相通，这些通道7和8影响了风道1内气流的品质；
-为实现对温度的控制，空调2与空调3分別使用循环冷却水和来自冷水机 组10的冷冻水作为冷却工质，并且小空调箱中还装有电加热器5和变频调速风机 6，它们共同相配合完成不同工况和不同热负荷下的温度调节任务，冷却工质是 通过流经表冷器翅片管4以实现冷却，相应的通过电加热器5实现加热，由于气 流带砂尘，通ii^冷器翅片管4和翅片式电加热管5时会积尘，严重影响传热， 需要额外设置压缩空气吹除管道ll、 12，清理极不方便；
-循环风道l采用外保温结构，热$^艮大，当做完一次高温试验后再去做 低温试验时，由于表冷器4传热面积有限，需要很长的时间来冷却，严重影响了 试验/模拟装置系统的利用效率。
发明内容
本发明的技术解决问题是克服现有吹砂吹尘方案的以下问题 1) 空调装置需要专门的空调风道和换热面、并带来额外的运行能耗， 此外此空调风道的存在也影响循环风道内气流的流动品质。2) 由于循环风道内气流带砂尘，通过表冷器时和电加热管时会积尘， 严重影响传热，并且清理极不方便。
3) 利用循环风道内部已有的分离器、导向叶片及收缩段，实现对循环 风道内气流温度的控制。提供一种结构紧凑、清理方便、设备利用 效率高的温度调节系统。
在本发明的方案中，传热、调温部件与吹砂、吹尘风洞分离、导流部件及 洞体结构结合在一起，结构紧凑、清理方便，从而提供了一种一体式的具有快 速温度调节和连续工作能力的砂尘环境试验装置，具有占用场地小、试验段气 流品质好、系统能耗低的特点，特别适用于、连续试验的场合。
本发明的各种实施例中包括的技术手段包括
1) 对现有的U型分离器进行改进，在U型件内部铺设热交换管，此多 功能U型分离器实现对温度的调节。
2) 对现有的导流叶片进行改进，在其中三组导流叶片里设置热交换通 孑L,在另外一组导流叶片里设置电加热器，以实现冷却及加热多功 能温度调节系统。
3) 在循环风道的收缩段设置电加热器，和加入电加热器的的导流叶片 一同实现快速加热系统。
4) 冷媒、热媒统一调配网络，该调配网络由循环冷却水、冷冻水、热 水组成，通过各自管道及管道上的调节阀实现不同工况下和热负荷 下的温度调节任务。
5) —种一体式吹尘吹砂环境试验装置的温度调节系统，其特征在于 由循环冷却水、冷水机组、电锅炉、出水管道、回水管道、导向叶 片电加热器、收缩段电加热器、导向叶片热交换通孔、分离器热交 换管组成，循环冷却水、冷水机组、电锅炉分别通过管道与具有热 交换功能的导向叶片和具有热交换功能的U型分离器相连，电加热 器通过设置在试验段的温度信号实现控制。
根据本发明的一个实施例，循环冷却水、冷水机组、锅炉热循环水以及各 自管道组成一个g、热媒统一温度调配网络，该调配网络与三组导向叶片内 的通孔及位于U型分离器内的热交换管连接，调配网络内的工质流经U型分离 器内的热交换管和循环风道内的气流进行热交换，进而实现温度的调节，工质 还流经三组导向叶片内的热交换通孔和循环风道内气流进行热交换，从而实现 对循环风道内气流温度的调节。冷媒、热媒统一温度调配网络通过调节通道上 的多个阀门来控改变U型分离器热交换管及导向叶片通孔内工质的流量，从而 实现对温度的自动控制。在收缩段安装有电加热器，并且在收缩段之前拐角处 的导向叶片内也加入了电加热器，再通过设在试验段的温度信号对电加热器做 闭环控制来快速改变电加热器的输出热量，这两组电加热器组成了对循环风洞气流的快速加热系统。整个循环风道的温度调节系统由工质的热交换和电加器 的热输两种方式共同组成。
本发明的优点1)与传统的吹沙吹尘环境试验/模拟装置系统相比，由于 本发明舍弃了一大一小两个空调箱，故消除了空调箱通气回路对循环风道内气 流品质的影响，并且^f吏结构更加简单，占据空间更小；2)由于本发明没有了空 调箱中的表冷器和电加热器，故消除了清理积尘带来的不便和积尘对传热的影 响；3)本发明在传统的冷却系统的基础之上加入循环热水系统，故使传统的冷 却系统变成了冷热多用温度控制系统，提高了设备的利用率；4)本发明在收缩 段和收缩段之前的一组导向叶片上分别加入了电加热片，可以进一步加快对循 环风道内气流的加热速度，提高系统的工作效率；5)本发明在U型分离器内铺 设热交换管，并且对剩下的三组导向叶片进行改造，在每个导向叶片内部设置 通孔，最后分别将热交换管和通孔与冷热温度控制系统相连，故充分利用了已 有设备，提高了设备利用效率，更重要的是增加了热交换面积，使传热更加快 速。
根据本发明的一个方面，提供了用于一种一体式砂尘环境模拟系统的温度 调节系统，所述一体式砂尘环境模拟系统包括 循环风道，用于提供吹砂和吹尘环境的场所； 主风机，用于驱动所述循环风道内的气流的流动； 压缩空气源和砂尘料系统，用于实现砂尘环境的模拟； 其特征在于所述温度调节系统包括 温度控制系统，用于对所述气流的温度进行控制， 其中所述温度控制系统的热交换部分^L设置在所述循环风道之内。
根据本发明的另 一个方面，提供了用于一体式砂尘环境模拟系统的温度控 制方法，所述一体式砂尘环境模拟系统包括 循环风道，用于提供吹砂和吹尘环境的场所； 主风机，用于驱动所述循环风道内的气流的流动； 压缩空气源和砂尘料系统，用于实现砂尘环境的模拟； 所述方法的特征在于
借助设置在所述循环风道内的多组导向叶片所包括的热交换装置，对所述 循环风道内的所述气流的温度进行控制。
图1为现有砂尘环境试验/模拟装置系统的连接示意图。
7图2本发明循环风道气动布局结构示意图。 图3是本发明循环风道剖视图。
图4A和图4B分别是本发明具有热交换功能的U型分离轴视图及剖视图。
图5A和图5B分别是本发明具有热交换功能的导向叶片轴视图及其剖视图。
图6是本发明快速加热系统的剖视图。
图7是本发明具有加热功能的导向叶片剖视图。
图8是本发明热交换工质和循环风道内各部件的连接图。
图9是本发明常规温度控制系统。
附图标i己
.循环风道 101.试验段 102.扩压段 103.分离段
04.第一拐角段105.第一收缩段 106.第二拐角段.
07. 方圓过渡 108.动力段 109.圓方过渡 110.变截面段 11.第三拐角段 112.第四拐角段 113稳定段 114.第二收缩段 141.电加热器 115.第一导流片 116.第二导流片117.第三导流片 18.第四导流片 1181.绝缘层 1182.耐磨保护层1183.电加热器 19导向叶片通孔2.大空调 3.小空调 4.表冷器
.电加热器 6.变频调速空调 7.大空调进气通道
.小空调进气通道 9.空调回气通道 IO.冷水机组11.大空调吹尘管道
2.小空调吹尘管道13.主风机 14.冷风机 15.整流格栅
6.循环冷却水源 161.循环冷却水出水管道
62.循环冷却水回水管道 163.循环冷却水出水阀
64.循环冷却7jC回7jC阀 17.冷水机组
171.冷7jc机组出水管道 1172.冷7jC机组回水管道
173.冷水机组出;^制阀 1174.冷水机组回水控制阀
8. 电锅炉 19.U型分离器 191.热交换管 92.U型件 193.角钢
具体实施例方式
下面将结合附图对本发明的实施例作进一步的详细说明。 吹砂、吹尘环境模拟设备一般包括循环风道l、压缩空气源、砂尘料系统、 温度控制系统、湿度控制系统、风道压力控制系统。其中，循环风道用于提供 试件在吹砂和吹尘环境的场所；压缩空气源、砂尘料系统(未显示)用于实现 实验环境的砂尘浓度；温度控制系统、湿度控制系统、风道压力控制系统组成 空气调节系统并通过管道与循环风道实现连通，各个管道上设有多个阀门，岡 门的设置是为有效的调节风道中的砂尘的流量、气力的大小、压力的调节、湿 度的调节、温度的调节等。图2所示为根据本发明的一个实施例的循环风道1的气动布局结构示意图， 其中，循环风道1按其不同结构段依次分为试验段101、扩压段102、分离段103、 第一拐角段104、第一收缩段105、第二拐角段106、方圓过渡段107、动力段 108、圆方过渡段109、变截面段IIO、第三拐角段lll、第四拐角段112、稳定 段113、第二收缩段114。
如图3所示，在四个拐角段104、 106、 111、 112分别设有第一导流片115、 第二导流片116、第三导流片117、第四导流片118;在动力段108内i殳有主风 机13，主风机外部设有用于对其进行降温的冷却风机14;在稳定段113内设有 蜂窝结构整流格栅15。
图4A和4B所示为才艮据本发明的一个实施例中^:置在分离段103中的多功 能U型分离器19的剖视图。多功能U型分离器19包括U型分离件192、角钢固 定器193、热交换管构成191。 U型件192通过例如点焊焊接在角钢固定器193 上，热交换管191通过例如钎焊焊接在U型件192的底部，从而实现了具有热 交换功能的分离器。
根据一个具体实施例，热交换管191采用无缝钢管或者焊接钢管。
图5A和5B所示为根据本发明的一个实施例中位于循环风道拐角104、 106、 lll处的具有热交换功能的导向叶片115、 116、 117的剖视图。以导向叶片115 为例进行说明，通过在呈流线型曲面的导向叶片115的内部预留通孔119,再在 通孔119中通过热交换工质，实现了具有热交换功能的导向叶片。
图6所示为根据本发明的一个实施例的快速高效加热系统，该快速加热系 统中的收缩段114之内铺设有电加热器1141，并且在位于循环风道拐角段112 处的导向叶片118内嵌入电加热器1183组成快速加热系统，通过和温度传感器 的连接，实现温度的快速，高效，灵敏的控制。
图7所示为根据本发明的一个实施例的加热型型导向叶片118的剖视图， 其中包括导向叶片118、电加热器1183、电加热器绝缘层1181、耐磨保护层1182。 才艮据一个具体实施例，加热型导向叶片118通过在其内部嵌入与温度传感器连 接的电加热器1183,实现在对气流导向功能的基础之上再实现对循环风到内气 流的均匀快速加热；且收缩段114电加热器1141与电加热器1183共同组成了 整个快速温度控制系统，具有快速、高效、灵敏的功能。
其中，根据一个具体实施例，电加热器绝缘层采用导热性能优异的绝缘材 料导热硅脂。
在如图8所示的本发明实施例中，该温度控制系统包括循环冷却水系统16、 冷水机组17、电锅炉18三种分别提供不同温度的热交换工质的装置，将这三种 不同温度的热交换工质源分别通过并行设置的管道和手动岡门，再通过具有热 交换功能的U型分离器19及具有热交换功能的导向叶片115-117组成的常规温 度控制系统，并且通过各自管路上的调节阀门实现对相应热交换工质的流量的 控制，这样就可以对循环风道内气流温度实施控制。进一步地，在收缩段114 内部设置有电加热器1141 (如图6所示)，形成一个收缩段快速加热系统。收缩段114处在试验段101风道上游，对试验段101的温度影响最直接，加热效果 最明显，在拐角段112处的导向叶片118里面也嵌入了电加热器20,两组电加 热器1141和20组成了快速加热系统，这样就能在试验段101之前最近的两处 实现对循环风道内气流的快速加热，提高了加热速度和热利用效率。
图9所示为根据本发明的一个实施例的常规温度控制系统示意图，其中， 温度调节系统工质由循环冷却水系统16、冷7jc机组17、电锅炉18提供，采用 冷热多用温度控制模式，循环冷却水通过专用管道和U型分离器19热管及导向 叶片115-117的通孔相连，通过i殳在循环冷却水系统出水管道161上的阀门163 和回水管道162上的控制阀164来控制试验时冷却水的流量；从冷水机组17出 来的冷冻水通过出水管道171上的阀门173和回水管道172上的控制阀174来 控制试验时冷冻水的流量；在电锅炉18中加热的循环热7jc通过出水管道181上 的控制阀183和回水管道182上的控制阀184来控制试验时热水的流量。
其中冷水机组的冷却工质由循环冷却水系统16提供，电锅炉根据实际情况 选择合适的功率。
实施例1:
下面将介绍在根据本发明的一个实施例的设备中的工作过程的一个实施
例
请参见附图所示，在主风机13的驱动下，试验用空气在循环风道l中循环 流动并在循环风道1的试验段101形成满足实验要求的试验风速，吹砂18-30m/s,低速吹尘1. 5m/s，高速吹尘8.9m/s,风速的大小可以通过调整主风机 13转速的方式加以闭环控制，循环风道l的气动布局如图2所示。为了减小循 环风道1的阻力损失，在循环风道1的四个拐角设有四组导向叶片115-118;为 了改善试验段101的气流品质，在试验段101上游设有第二收缩段114和稳定 段113,稳定段113内设有整流格栅16以减少试验段IOI的紊流度；为了避免 大粒径砂尘颗粒对主风机13叶片造成伤害，在试验段101出口设有扩压断102 与分离段103,在分离段103内设有迎风交错布置四排U型分离件19,扩压段 102设在试验段101与分离段103之间以降低分离段103入口截面的风速，从而 起到提高分离段103的气固分离效率的作用
循环风道内的常规温度控制是通过安装在分离段103的具有热交换功能的 U型分离器19，以及设置在循环风道拐角104、 106、 111处的三组具有热交换 功能的导向叶片115-117来控制的，系统的被调量为试验段101温度。循环冷 却水的出水温度为35。C,用于平衡试验段101温度要求为70。C的高温吹砂试验 时的系统热负荷。冷水机组17的出水温度为7。C，用于平衡常温吹砂(23°C )、 高温吹尘(70°C )试验时的系统热负荷。电锅炉的出水口温度为90。C，用来快 速加热循环风道1内气流的温度，使试验段101温度快速达到预先设定的状态； 在试验过程中首先检测试验段101的温度是否满足试验预期的要求，如果温度低于预期温度，则关闭循环冷却水的出水和回水通道上的控制阀163、 164与冷 水机组17的出水和回水通道上的控制阀173、 174，并通过远距离手工调节电锅 炉出水通道上的调节阀183与回水通道的调节阀184，用来调整循环风道l内U 型分离器热交换管191及导向叶片通孔119的热水流量来调整循环风道内的气 流温度；如果试验段的温度高于预期温度，则关闭电锅炉出水和回水通道的控 制阀183、 184,并通过远距离手工调节循环冷却水出7jc通道调节阀163和回水 通道调节阀164来调整循环风道1内U型分离器热交换管191及导向叶片通孔 119的冷却水流量，还可以通过调节远距离手工调节冷7jC机组17的出水通道调 节阀173和回水通道调节阀174来调整循环风道1内U型分离器热交换管191 及导向叶片通孔119的冷冻水流量。
温度调节系统工质由循环冷却水系统16、冷水机组17、电锅炉18提供， 采用冷热多用温度控制模式，循环冷却水通过专用管道和U型分离器19热管及 导向叶片115-117的通孔相连，通过i殳在循环冷却水系统出水管道161上的阀 门163和回水管道162上的控制阀164来控制试验时冷却水的流量；从冷水机 组17出来的冷冻水通过出水管道171上的阀门173和回水管道172上的控制阀 174来控制试验时冷冻水的流量；在电锅炉18中加热的循环热水通过出水管道 181上的控制阀183和回水管道182上的控制阀184来控制试验时热水的流量。
循环风道1内快速温度控制系统是通过安装在收缩段114内壁的电加热器 1141,以及循环风道拐角112内部的具有热交换功能的导向叶片1183来控制的， 系统的被调量为试验段101温度，根据试验段101的温度信号反馈闭环自动调 节电加热器的功率使试验段101温度满足试验要求。
本发明的效果
本发明能够实现吹砂吹尘环境试验/模拟系统的温度控制，以满足环境试验 /模拟所需的温度条件，不仅结构简单，实现一体化，而且能够快速高效的控制 温度，可用于结构经凑、清理方便、频繁试验的场合。
-i 一站 术'i 一
应当理解的是，以上结合附图和实施例对本发明所进行的描述只是说明而 非限定性的，且在不脱离如所附权利要求书所限定的本发明的前提下，可以对 上述实施例进行各种改变、变形、和/或修正。
权利要求
1、用于一体式砂尘环境模拟系统的温度调节系统，所述一体式砂尘环境模拟系统包括循环风道(1)，用于提供吹砂和吹尘环境的场所；主风机(13)，用于驱动所述循环风道(1)内的气流的流动；压缩空气源和砂尘料系统，用于实现砂尘环境的模拟；其特征在于所述温度调节系统包括温度控制系统(16，17，18)，用于对所述气流的温度进行控制，其中所述温度控制系统(16，17，18)的热交换部分(191，115，116，117，118)被设置在所述循环风道(1)之内。
2、 如权利要求1所述的温度调节系统，其中所述一体式砂尘环境模拟系统 进一步包括设置在所述循环风道(l)内的多组导向叶片(115, 116， 117， 118),其特征在于所述温度调节系统包括设置在距离所述循环风道(1)的试验段(101)最近的一组上游导向叶片 (118)内的加热装置(1183),用于对所述气流进行加热；设置在所述多组导向叶片(115， 116, 117， 118)中除所述距离所述试验 段(101)最近的一组上游导向叶片(118)之外的至少一组导向叶片(115, 116, 117)中的热交换工质通孔(119)，从而使所述热交换工质通过所述至少一组导 向叶片(115, 116， 117)与所述气流中的空气进行热交换。
3、 如权利要求1或2所述的温度调节系统，其中在所述循环风道(1)的 分离段(103)中设有多个U型分离器(19),所述U型分离器(19)包括其开口方向朝向所述气流的上游方向的U型分离件(192)，用于分离 所述气流中的砂尘颗粒；用于固定所述U型分离件(192)的固定器(193); 其特征在于所述温度调节系统包括连接在所述U型分离件(192)的底部的热交换管 (191)，用于使流过所述热交换管(191)的热交换工质与所述气流中的空气进 行热交换。
4、 如权利要求3所述温度调节功能的一体式砂尘环境模拟系统，其特征在于在处在所述试验段(101)的风道上游的收缩段(114 )内部i殳置有电加热 器(1141),从而对所述收缩段中的所述气流进行加热。
5、 如权利要求2所述的温度调节系统，其中所述多组导向叶片包括四组导 向叶片(115， 116， 117， 118),且一体式砂尘环境模拟系统进一步包括用于对主风机进行降温的冷却风机(14 )， 设置在所述电加热器(1183)处的温度传感器 其特征在于在距离所述循环风道(1)的试验段(101)最近的一组上游导 向叶片(118)内设置有所#热装置(1183)，其余三组叶片中均设置有所述 热交换工质通孔(119)。
6、 用于一体式砂尘环境模拟系统的温度控制方法，所述一体式砂尘环境模 拟系统包括循环风道(l),用于提供吹砂和吹尘环境的场所； 主风机(13)，用于驱动所述循环风道(1)内的气流的流动； 压缩空气源和砂尘料系统，用于实现砂尘环境的模拟； 所述方法的特征在于借助设置在所述循环风道(1)内的多组导向叶片(II5, 116, 117, 118) 所包括的热交换装置，对所述循环风道(l)内的所述气流的温度进行控制。
7、 如权利要求6所述的温度控制方法，其特征在于 借助设置在距离所述循环风道(1)的试验段(101)最近的一组上游导向叶片(118)内的加热装置(1183),对所述气流进行加热；使热交换工质通过在所述多组导向叶片(115， 116, 117， 118)中除所述 距离所述试验段(101)最近的一组上游导向叶片(118)之外的至少一组导向 叶片(115, 116, 117)中设置的热交换工质通孔(119)，从而使所述热交换工 质通过所述至少一组导向叶片(115， 116， 117)与所述气流中的空气进行热交 换。
8、 如权利要求6或7所述的温度控制方法，其中在所述循环风道(1)的 分离段(103)中设有多个U型分离器(19)，所述U型分离器(19)包括其开口方向朝向所述气流的上游方向的U型分离件(192),用于分离所述气流中的砂尘颗粒；用于固定所述U型分离件(192)的固定器(193); 所述温度控制方法的特征在于使热交换工质通过连接在所述U型分离件 (192)的底部的热交换管(191),从而使流过所述热交换管(191)的热交换 工质与所述气流中的空气进行热交换。
9、 如权利要求8所述的温度控制方法，其特征在于包括 利用在处在所述试验段(101)的风道上游的收缩段(114)内部设置的电加热器(1141),对所迷收缩段中的所述气流进行加热。
10、 如权利要求7所述的温度控制方法，其中所述多组导向叶片包括四组导向叶片(115， 116, 117， 118)，其中距离所 述循环风道(1)的试验段(101)最近的一组上游导向叶片(118 )内设置有所 述加热装置(1183)，其余三组叶片中均设置有所述热交换工质通孔(119)，且所述一体式砂尘环境模拟系统进一步包括设置在所述电加热器(1183)处 的温度传感器，且所述温度控制方法的特征在于包括利用一个冷却风机(14)对所述主风 机进行降温。
全文摘要
本发明公开了一种吹砂吹尘环境模拟系统的温度调节系统，包括热交换器、电加热器，冷媒、热媒统一调配网络，各个通道上设有多个用于控制流量的阀门。在本发明的吹砂吹尘环境模拟系统的温度调节系统中，其传热、调温部件与吹砂、吹尘风洞的分离、导流部件及洞体结构结合在一起，结构紧凑、清理方便，是一种一体式的具有快速温度调节和连续工作能力的砂尘环境试验装置，占用场地小、试验段气流品质好、系统能耗低，特别适用于、连续试验的场合。
文档编号G01M9/00GK101639397SQ200910089289
公开日2010年2月3日 申请日期2009年7月15日 优先权日2009年7月15日
发明者巩萌萌, 张利珍, 明章鹏, 李运泽, 浚 王 申请人:北京航空航天大学