大負載高溫變率高低溫試驗系統

馬平昌，高飛，劉潔，劉玥，李紅

（北京強度環境研究所，北京 100076）

在環境試驗中，溫度是引起產品失效的重要因素之一，高低溫環境導致產品熱脹冷縮、性能發生變化，并且影響產品的壽命。隨著溫度的變化，產品失效的各種過程會發生劇烈的變化[1]。溫度試驗箱/艙是人工模擬環境試驗中使用時間最長、用量最大的一種設備，航空、航天、兵器、電子很多產品均需要在其環境內進行性能檢測試驗[2-3]，此外溫度環境也是其他綜合試驗的基本環境[4-5]。隨著各類武器裝備的發展，各類產品裝備使用的環境越來越嚴苛，所以裝備環境適應性的試驗需求急劇增大，試驗方對溫度環境試驗系統的空間和性能也提出了更高的要求[6-8]。目前的環境試驗設備在大溫變率過程中，溫度的非線性現象明顯，試驗區均勻性較差[9]，而對于大空間環境試驗設備滿足其內部的溫度均勻度是非常大的技術難題[10-11]。

為了滿足航空、航天、兵器等產品的試驗，并且考慮到相關產品的外形特點，建設了一套大負載高溫變率細長型非標高低溫試驗系統。其環境溫變率最高可達5 ℃/min，以滿足產品實測環境溫變率，并保證高低溫試驗系統的有效工作區溫度在升降溫階段能實現較好的溫度變化跟隨性，在穩定階段具有較好的空間均勻性和波動性。

1 試驗系統基本要求

試驗系統基本要求如下：有效工作區的溫度范圍為5～50 ℃；有效負載為1.0 t（鋁）；有效工作區的環境溫變率為 5 ℃/min；有效工作區的溫度均勻度：≤2 ℃（穩定時）；有效工作區的溫度波動度為±1 ℃；試驗艙入口溫度限制為-40～85 ℃；試驗艙有效工作區尺寸為φ1600 mm×2500 mm；試驗艙壓力為常壓。

大負載高溫變率高低溫試驗系統相對于傳統的溫箱，對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的溫度均勻度以及波動度成為設計的難點。

2 主要結構及工作原理

高低溫試驗系統是采用對流換熱的方式提供所需要的試驗溫度環境，為實現高低溫試驗系統具有大負載高溫變率的能力，試驗系統采用大功率風道式的電阻加熱方式以及液氮霧化制冷方式。高低溫試驗系統主要由加熱系統、制冷系統、送風系統、試驗艙、控制系統等組成，系統原理如圖1所示。高低溫系統采用閉合循環單回路方式，采用閉合循環回路充分利用試驗艙出口回氣溫度，有利于節省功率，采用單回路方式將加熱系統與制冷系統集成在同一主回路有利于實現冷熱平衡溫度控制。

2.1 加熱系統

加熱系統主要由大功率風道式電阻式加熱器組成，考慮到有效工作區的溫度范圍為5～50 ℃，所以采用不銹鋼式的 U型加熱管，在風道內均勻布置，并可達到擾流的作用，使加熱器與循環氣流的換熱更加充分。由于系統要求大負載、高溫升率，因此加熱器的功率選擇至關重要。設計考慮艙內空氣的升溫功率Qx、系統負載升溫功率Qg、試驗負載升溫功率Qd以及系統漏熱功率 QL，考慮一定的設計余量，最終選擇電加熱器的電功率為500 kW。

各負載升溫功率計算公式為：

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

漏熱功率計算公式為：

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

2.2 制冷系統

為滿足大負載、大降溫率的設計要求，制冷系統主要利用液氮的汽化潛熱進行制冷，將液氮通入主管路發生汽化，進行制冷。通過調節液氮管路上的低溫流量調節閥來控制噴入主管路中的液氮量，從而控制相應的制冷功率。

由于液氮汽化膨脹會使送風管路內的局部壓力升高，造成噴出液氮不連續，這樣會導致降溫時溫度波動較大，且會產生較大的溫度超調，難以控制。在液氮輸送管末端設計霧化裝置，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，高速噴霧對周圍高溫氣流進行引射，促進液氮與氣流的混合接觸，從而充分利用液氮的汽化潛熱，混合氣流經過一定長度的混合裝置，形成溫度較為均勻的低溫氣體，經主管路送入試驗艙。利用引射原理與霧化器霧化的共同作用，使液氮連續進入循環風道中，從而改善了低溫系統的控制環境。實際液氮霧化裝置效果如圖2b所示。

2.3 送風系統

送風系統采用離心風機進行循環供氣，試驗艙采用上進下回的氣流方式建立有效的試驗環境。離心風機前方設置流量調節閥，根據試驗艙內負載的大小對供氣流量進行調節。試驗艙進氣端設計進氣擾流器，對試驗艙送氣進行擾動增加氣流的湍流度，從而有利于試驗艙內溫度混合。由于試件自身的大熱容以及與試驗艙外界的熱交換，有效工作區的各環境溫度測點不可避免地具有一定的溫度梯度，所以為保證有效試驗區的各環境溫度測點具有較好的均勻度，必須對循環送風的流量進行合理設計[12-13]。

考慮實際空間含有一定的水分，空氣定壓比熱容取 cg=1.4 kJ/(kg·K)，由于試驗艙的進入最高溫度為85 ℃，考慮沿程熱量的損失，設計加熱器出口最高溫為90 ℃，取加熱器進口溫度為-20 ℃（考慮冬季環境溫度），即ΔT=110 ℃，所以送氣流量為3.25 kg/m3。考慮系統阻力損失，最終選擇離心風機的最大風量為10 000 N·m3/h，全壓為 3000 Pa。

此外為保證系統壓力正常，進而確保系統的結構安全性，在主送氣管路靠近艙體入口位置處設置安全閥。當系統進行加熱或制冷時，由于空氣自身的受熱膨脹或液氮氣化膨脹會導致系統壓力升高，一旦超過設計安全壓力時，系統將進行自動泄壓。

2.4 試驗艙

試驗艙用于建立有效高低溫試驗環境，由于試驗艙內有效工作區間要求溫度均勻度≤2 ℃，溫度波動度≤±1 ℃，所以對于試驗艙的結構設計提出了很高的要求，試驗艙的結構直接影響工作區的溫度環境。為減小試驗艙漏熱對艙內環境的影響，試驗艙壁采用夾層式結構，內箱壁采用優質高級不銹鋼板（SUS304），外壁采用優質冷軋鋼板，中間夾層使用導熱系數小、吸水性小、強度高、高溫下性能穩定的隔熱材料進行保溫，同時考慮消防安全，絕熱材料中添加阻燃劑，防止溫度過高引起火災事故。

試驗艙進氣位置設計擴壓減速段，以降低來流速度，減小送風流速對于試驗產品的影響和流阻損失。此外一定程度地降低有效工作區的空氣流速，可以減小當地空氣與艙體的對流換熱能力，從而降低有效工作區高度方向的溫度梯度。由于試驗艙擴壓段的擴張比較大（穩定段截面積/入口截面積），設計擴壓段高度為4000 mm，此時擴壓段擴張角約為14°；擴壓段內設計導流錐，進一步防止入口氣流分離，形成漩渦”死區”，從而造成局部的高溫或低溫區；擴壓段后設計一段平直段用于穩定來流，高度約為1000 mm，從而保證試驗艙各截面內溫度較為均勻。有效工作區尺寸根據技術要求設計為φ1600 mm×2500 mm。試驗艙體的下段與上段結構尺寸基本相同，具體結構如圖3所示。

2.5 控制系統

根據試驗需要，產品需要完成連續多個剖面溫度曲線的高低溫試驗，要求控制系統長時間運行可靠，所以選擇了西門子公司的S7-300PLC作為控制系統的硬件，并開發了用于試驗的高低溫控制軟件。如圖 4所示，控制系統分為低溫制冷控制、加熱升溫控制以及信號采集功能。控制系統根據采集的被控點溫度信號，經過閉環控制算法，通過調節低溫電動調節閥、加熱調功模塊分別控制降溫過程和加熱升溫過程。

由于該系統采用對流換熱的方式，溫度控制具有慣性大、滯后的特點，傳統PID控制算法不能滿足高精度的溫度控制[14]。由于系統慣性、滯后的特點，PID控制算法中積分項不斷累積，當需要回調控制量時，PID控制算法的總輸出響應緩慢，不能及時調整控制量，所以在PID控制算法中引入了積分分離功能。

傳統積分分離的基本思想為：當被控量與設定值的偏差|e(k)|大于某特定值時，取消積分的作用，執行PD控制，減少系統的穩定時間；而當|e(k)|小于這個特定值時，啟動積分作用，執行PID作用，降低穩態誤差。該系統具有大慣性、大滯后的特點，變溫過程中執行PD控制，但是比例-微分作用在溫度逼近目標值時對系統輸出功率起抑制作用，所以傳統的積分分離盡管解決了系統大超調的問題，但是進入穩定階段后，逼近目標溫度所需要時間較長。

為了實現系統小超調、小穩態誤差，快速逼近目標溫度，該控制方法對傳統積分分離PID方法進行了改進。通過調試試驗，設置PID控制誤差帶ε，系統設備輸出量U為：

當|e(k)|<ε時，啟動 PID控制，當|e(k)|>ε時，積分誤差不再累積進行保持，形成系統輸出的直流分量δ。由此目標溫度在進入溫度保持階段時，由于對升降溫過程積分誤差累計作用的削弱，系統固有滯后性所帶來的大超調現象得以解決，并且目標溫度實現了快速穩定保持。

圖5為傳統PID控制算法和加改進型積分分離后的PID算法控制效果的對比。如圖5a所示，直接使用傳統 PID算法進行控制時，系統升溫過程存在波動，且超調量達到 3 ℃，穩態時存在周期波動，穩態誤差達到2 ℃。為此，控制算法加入積分分離后，在誤差過大時，關閉積分累加。升溫過程平穩，超調量為 1 ℃，隨后進入保溫過程，保溫過程中，無波動現象，控制點反饋溫度基本與設定溫度重合，穩態誤差<0.5 ℃，如圖5b所示。由此可見，控制系統及控制算法滿足了試驗要求。

3 試驗結果分析

在試驗艙內擱置真實負載，在艙體入口和出口分別設置溫度傳感器，監測系統的送氣/回氣溫度，在有效工作區均勻布置4個溫度測點，并選取溫度測點1作為主控制溫度點，如圖6所示。溫度控制點的溫度范圍設定為5～50 ℃，驗證其5 ℃/min溫變率能力以及穩態自動控制效果，試驗結果如圖7所示。

在升降溫階段中，溫控點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，溫度控制點的高溫超調量為2.2 ℃，隨后溫度控制點溫度逐漸趨于平穩進行保溫，保溫階段的穩態誤差不大于0.5 ℃；降溫階段，由于低溫制冷方式不存在大慣性的特點，所以溫度超調量較小，為0.7 ℃，隨后溫度控制點溫度逐漸趨于平穩進行保溫，保溫階段的穩態誤差不大于0.5 ℃。有效工作區內的各溫度測點包括控制點、測點 2、測點 3、測點 4，保溫階段均勻性較好，保持在 2 ℃以內。試驗艙入口的最高溫為75.3 ℃，最低溫為－19 ℃，滿足試驗艙入口溫度限制－40～85 ℃的要求。高溫保持時試驗艙進出口的溫差為 20 ℃，低溫保持時試驗艙進出口的溫差為 10℃，進出口溫差較大主要是因為進口擴壓段與出口收縮段內流速較高導致的漏熱較大。此外高溫保持時試驗艙進出口溫差較低溫保持時大，其原因在于高溫保持時艙內與外界環境溫差較大，導致漏熱較大。

4 結語

文中對大負載高溫變率高低溫試驗系統的設計原理和結構進行了闡述，介紹了一種閉合循環單回路方式的高低溫系統形式。通過對加熱、制冷方式的設計，滿足了試驗系統大負載高溫變率的要求。此外結合送風系統的擾流設計、低溫系統的引射霧化設計、試驗艙的氣動結構設計以及使用溫度積分分離的控制策略，解決了大空間試驗艙、大負載試驗件所造成的溫度均勻度和波動度的設計難點，有效工作區各溫度測點溫度均勻度保持在2 ℃以內，溫度波動度保持在±0.5 ℃以內。