环境试验舱论文

环境试验舱论文（共5篇）

环境试验舱论文 篇1

1 引言

低压舱是开展航空航天医学、高原医学、高山医学研究、航空航天装备试验鉴定和专项体能训练的专用设备, 普遍应用于航空航天、高原高山医学领域, 其基本原理是利用真空泵将舱室内的气体抽出, 模拟出高空低压缺氧环境, 有些低压舱还同时具备低温、过载、特殊气体等功能, 以更加真实地模拟高空低压缺氧和低温环境[1]。

本次建设的低压舱群主要用于航空装备的试验鉴定、航空医学研究与专项体能训练, 因此功能指标的设计要满足上述试验、研究的需求, 通过综合分析、系统论证, 我们提出设计高度40 000 m、温度范围-56~70℃、迅速减压时间0.01 s的设计指标, 解决了航空装备试验鉴定高度、减压速度及温度等模拟条件不足的问题。所提出的模拟高度、迅速减压时间等指标达到世界先进水平。

2 低压复合环境试验舱群设计

2.1 主要功能

根据装备试验及航空医学研究需要, 实现0~40 000 m气压高度的自动化升降控制, 0.5~0.01 s迅速减压时间, -56~70℃温度变化指标, 同时配套自动控制系统、生理参数检测系统、物理参数检测系统、内外通讯系统、供氧系统等, 满足试验和科研要求。

2.2 总体结构设计

在认真分析国内外航空医学试验、科研用低压舱性能指标的基础上[1], 提出40 000 m高度、0.01 s迅速减压时间、-56~60℃温度可调, 并配套先进的生理、物理、通讯、供氧系统指标, 指标先进性力求达到国内领先、国际一流[2]。

设计过程中由于迅速减压时间及温度指标跨度大且需无极可调, 从结构设计和功能角度难以在同一舱室内同时实现, 因此总体设计采用4舱1储备罐的形式, 将迅速减压功能分为2个舱室分级实现, 低温和高温指标分2个舱室分段实现, 配备1个大型的迅速减压储备罐。总体结构布局如图1所示。

1.迅速减压储备罐;2.低压训练舱及低压低温减压舱 (1、2号舱) ;3.装备迅速减压舱 (4号舱) ;4.大功率真空泵 (4组) ;5.低压高温舱 (3号舱) ;6.抽真空管路;7.电磁调节阀门

2.3 主要战术技术指标

模拟上升高度40 000 m, 初试者人数最大18人, 模拟上升速度:地面~5 000 m范围为 (1~200) × (1±1%) m/s;5 000~15 000 m范围为 (1~120) × (1±2%) m/s;15 000~40 000 m范围为 (1~30) × (1±5%) m/s。模拟下降速度: (1~200) × (1±5%) m/s。人均新风量30 m3/人;温度-56~70℃;迅速减压时间0.16~0.01 s可调;舱体分为低压训练舱、低压低温迅速减压舱、低压高温舱、装备迅速减压舱等4个舱室和1个负压储备罐, 舱室采用12 mm厚度的16Mn DR (锰钢) 框架加强结构, 每个舱室设置不少于1个观察窗和送物筒[3]。各舱室配备生理参数[4]、物理参数、环境参数检测系统, 浓度压力可变的供氧系统[5], 舱内外通讯监控系统等设备。所有功能实现自动化程序控制。

2.4 主要部分结构设计

2.4.1 舱体设计

舱体分为低压训练舱 (1号舱) 、低压低温减压舱 (2号舱) 、低压高温舱 (3号舱) 和装备迅速减压舱 (4号舱) 以及负压储备罐。

其中1号舱和2号舱为连体设计 (如图2所示) , 2号舱同时兼有1号舱的过渡舱功能。1号舱及2号舱采用3门2室4窗结构, 在不影响结构强度的基础上尽可能加大观察窗数量及尺寸, 2号舱后壁设有迅速减压机构, 根据实际工况及结构设计要求, 该迅速减压装置采用高压空气弹放式结构, 迅速减压时间设定为0.16~0.5 s可调。舱体旁均设有舱旁指挥台, 显示舱内物理环境参数、被试人员生理参数、舱内图像等数据, 并设有紧急中止按钮, 以便于试验主持人员及时中止试验。所有数据线、参数线路及气路、液路等管线利用贯舱件实现无缝出舱。

低压高温舱采用2门2室2窗结构, 包括1个过渡舱和1个低压高温舱。由于低温指标 (-56℃) 和高温指标 (70℃) 跨度过大, 低温冷凝水与高温高湿的矛盾难以解决, 因此将高温功能单独在3号舱实现, 如图3所示。

装备迅速减压舱 (4号舱) 仅用于装备试验时的高速迅速减压, 根据实际工况要求, 将0.01 s迅速减压功能单独设计在4号舱上实现, 其迅速减压机构采用爆破玻璃式, 舱室后壁为一整块钢化玻璃, 通过撞击针使钢化玻璃瞬间爆破, 达到负压储备罐与舱室内气压高度的迅速平衡, 实现0.01 s迅速减压功能, 如图4所示。

负压储备罐 (如图5所示) 是实现迅速减压功能的必要装备, 在迅速减压试验中, 负压储备罐模拟外界高空气压环境, 舱室内模拟飞机驾驶舱或乘员舱气压环境, 启动迅速减压机构后两侧气压在极短时间内达到平衡, 以模拟飞行中出现的座舱破裂情况。一般情况下负压储备罐的体积与舱室体积应保持不小于50∶1, 比例过小则减压平衡时间加快但减压后平衡高度无法达到要求, 比例过大成本增高、减压平衡时间加长且气压平衡波动曲线过大, 无法达到设计指标要求。

2.4.2 迅速减压机构

由于战术技术指标中迅速减压指标由0.5~0.01 s指标跨度过大, 同时在2号舱中的高压空气弹放式迅速减压机构极限速度达不到0.01 s指标要求, 因此使用两种迅速减压机构试验设计要求。

高压空气弹放式机构 (如图6所示) 原理是在进行爆破前, 先将储气罐充满1.5~2 MPa的空气, 当按下爆破按钮后, 储气罐后的电磁阀立即动作, 高压气体从高压软管进入气缸, 气缸随即高速运动, 气缸前端推板推动锁机, 从而推动爆破机构舱门的迅速开启, 实现舱门两侧气压高度的迅速平衡。采用这种机构的优点是可靠性好、可重复性高, 免维护。缺点是迅速减压时间最快仅能达到0.16 s。

玻璃爆破式减压机构 (如图7所示) 利用钢化玻璃将负压储备舱与试验舱隔离开, 当按下爆破按钮后, 撞击针伸出击碎钢化玻璃, 根据钢化玻璃的特性其任何一点破碎将引起玻璃整体迅速破碎, 从而实现玻璃两侧气压高度的迅速平衡。采用这种机构的优点是可靠性好, 迅速减压时间快, 可达到0.01 s指标要求。缺点是钢化玻璃为一次性消耗品, 成本高, 需定期维护清理破碎的玻璃。

2.4.3自动控制系统

自动控制系统可在无操作人员直接参与下使试验过程按预设程序进行。自动控制系统是一个以西门子SIMATIC S7-400 PLC为核心的集散控制系统 (DCS) 。自动控制系统对舱群的工作运行状态实施自动检测与控制, 使低压舱按照预先设定要求, 完成升降压速度、维持高度、湿度、温度等指标的监测与控制, 从而达到试验目的[6,7]。自动控制系统的逻辑原理如图8所示, 其操作界面如图9所示。

上位机用于管理和监控, 包括操作人员的操作、参数设定和数据显示等;各舱的传感器和阀门等通过远程I/O模块连接。上位机、PLC通过工业以太网总线连接。模拟量输入模块采集各传感器信号上传至PLC, PLC的控制信号可传至各站点从而控制电动机和阀门[8]。

3 结果

低压复合环境试验舱群在确定总体技术指标后, 按照主要指标要求首先进行了初步设计方案设计, 确定了4舱1罐的整体结构及各舱室尺寸功能设计, 开展了迅速减压机构验证研究。在详细设计方案中完成了各舱 (罐) 体结构受力有限元计算分析、迅速减压时间及平衡气流的流体力学计算分析, 制造并验证了迅速减压机构形式, 修改完善了控制系统逻辑关系, 直到达到设计指标要求[9]。

按照研制任务书要求, 对低压复合环境试验舱群进行了验收试验, 包括舱群外观、尺寸、工作高度、工作温度、迅速减压、自动控制系统、生理参数、物理参数、供氧系统、通讯系统等指标, 各项指标均达到了设计要求[10]。

4 结论

低压舱是进行航空医学、高原高山医学研究的必要设备, 自19世纪后期世界第一台低压舱出现以来, 随着航空事业的发展, 它已逐渐成为各个国家研究与探索高空飞行及太空飞行的基本设备。目前世界各航空大国都建有功能相当完善的低压舱, 对高空各种环境因素的模拟更加逼真、多因素化和综合化。除了模拟低气压条件外, 有些还可同时模拟迅速减压、高G载荷 (离心机吊篮低压舱) 、高低温、振动、噪声、特殊气体环境等。

低压舱建设应在充分论证使用需求的基础上提出设计指标要求并保留适当的指标余度。目前国内现有低压舱大部分用于高原或高山医学研究领域, 其特点主要是模拟高度一般不超过15 000 m, 试验舱内体积较大以便于开展较长时间的适应性试验或训练。没有迅速减压功能和可变浓度、压力的供氧系统, 温度指标一般以低温为主[1,4]。早期低压舱以手动操作方式为主, 近几年建设的低压舱逐渐以自动控制方式为主。

本设备在设计指标上根据将要承担的试验、科研任务需求, 经过充分论证提出模拟高度、减压速度、温度等主要设计指标, 本设备具有以下特点: (1) 设计模拟高度达40 000 m, 在航空医学、高原高山医学试验研究领域内处于领先水平; (2) 迅速减压时间最快达0.01 s, 在国内现有低压舱设备中处于领先水平; (3) 自动控制程度高, 同时保留手动控制系统以确保试验安全; (4) 供氧、通讯、生理、物理参数指标系统配套完善, 性能先进; (5) 迅速减压、高低温功能分舱实现, 避免了高低温设备同舱工作可靠性差的问题, 解决了迅速减压指标跨度大、无法通过单一结构全部实现的矛盾; (6) 高压空气弹放式迅速减压机构为国内首创, 具有可靠性高、免维护等特点。

该设备适用于航空航天医学科研、装备试验等领域, 能够模拟高空低气压、缺氧、低温和迅速减压等多种环境因素, 满足设计指标要求。

参考文献

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环境试验舱论文 篇2

随着社会经济的不断发展,人民消费水平日益提高,我国正处于汽车工业高速发展时期。由于汽车的数量急剧增加,以及气候环境条件对汽车使用性能产生的各种不利影响,大大小小的交通事故屡见不鲜,汽车的安全问题越来越受到人们的关注,对汽车生产质量的要求也越来越严格,世界各国相继制定了相应的强制标准。为达到安全、环保、节能等要求,各汽车生产厂家必须在产品开发阶段进行各项性能指标试验。汽车环境试验舱可为汽车生产厂家提供性能试验的模拟环境。

研发建设轻型车整车环境试验舱,将填补广西汽车制造企业在该项目上的空白,直接面向区内轻型车及相关零部件生产企业进行产品环境适应性试验和研究,进而对区外产品提供相应服务,同时也为政府和执法部门提供有力的技术支撑。

2 系统构成及技术原理

研究人员研发建设的GDS0600轻型车整车环境试验舱主要由制冷系统、加热系统、风道系统、加湿系统、除湿系统、温度控制系统、新风系统、废气排放系统、空调系统等组成(如图1所示),既可以模拟轻型车整车试验温度与湿热环境,也可以单独产生高温、低温、交变湿热、恒定湿热环境,从而完成汽车整车(或发动机)的低温起动试验、汽车整车空调试验、汽车整车风窗玻璃的除霜试验与除雾试验等。GDS0600轻型车整车环境试验舱外观图如图2所示。

2.1 制冷系统

制冷系统是试验舱产生冷源的主要部分。根据不同的设备试验状态,制冷系统能实现自动开启,为相应试验过程提供所需的冷量,从而满足设备性能指标。

本设备的机械制冷采用蒸汽压缩制冷方式,蒸汽压缩制冷是近年来应用最广泛且最经济的制冷方式,也是环境试验设备中最常用的制冷方式,其原理是利用制冷的蒸发潜热从被冷却物体中吸热而实现制冷。经膨胀阀节流进入蒸发器的液体,从周围物体中吸取蒸发潜热而蒸发,蒸发后变成低温、低压气体被制冷压缩机吸入,经压缩机压缩后变成高温、高压气体进入水冷或风冷冷凝器,在其中冷却成高压液体,再经膨胀阀进入蒸发器。如此往复循环,从低温处吸热实现制冷,再将热量从高温处释放出来。

2.1.1 压缩机

压缩机是制冷系统的重要组成部分,为了保证试验室的降温速率及达到最低温度和高温运行时平衡,采用BITZER单/复叠压缩机组,提高低温制冷效率,同时在高温时采用单级机组运行,能有效节约能量,提高整机安全系数。通过控制系统可以设置启动任意一套机组运行或2套机组同时启动运行。

2.1.2 低温管路

低温管路采用优质无氧铜管焊接和专业走管工艺(传统方式采用普通铜管和直接焊接方式,易使铜管内壁产生氧化物,造成制冷系统堵塞,试验箱会出现降温慢甚至不降温现象),能确保焊接质量。

2.1.3 制冷系统蒸发器

工作室的制冷系统蒸发器为翅片式,位于试验箱风道夹层内,由鼓风电机强制通风,快速换热。

2.1.4 辅助件

电磁阀、过滤器等均采用进口件,以确保质量。

2.2 温控系统

温控系统由一个主控计算机与其他子计算机组成实现集散控制,即将控制所造成的危险分散,而将管理系统与显示系统集中,表现为工业现场总线特性的计算机监控系统。利用现场RS485通信总线,可在主控计算机上实现各子系统的全功能操作。整个系统分为操作主控端和现场子系统2个层次,由操作站、图形及编程软件、通信网络、控制器、输入输出系统组成。

操作站由当前主流工控专用计算机控制环境试验舱的主控调度,显示当前及历史运行数据、曲线,输出试验报表;控制器和输入输出分别由PLC可编程控制器及PID模拟量模块组成;通信网络采用RS485和CAN总线通信构成;图形及编程软件采用高级工业组态软件,该软件应用广泛且运行可靠,能实现管控一体化,拥有强大的网络架构和开放的数据库支持及完全面向对象的编程方式,编程开发方便、周期短,利于系统功能更新。

2.2.1 操作系统

主控计算机采用Windows XP操作系统,用户操作控制系统由高级组态软件完成,C语言底层支持,全中文图形界面,用户界面直观、人性化,信息清晰明确。

系统可实时显示试验流程和参数,设定精度为:温度为0.1℃、湿度为0.1%RH、时间分辨率为1s。主控计算机通过现场总线技术与各子系统进行信息交换,完成整个试验舱的运行、故障诊断及数据处理。按逻辑对各子系统进行测控,同时对采集的数据送打印机打印,也可保存为电子文本,方便测试报告的编辑打印。

2.2.2 操作方式

具有自动、手动的双重操作功能。

2.2.3 制冷系统的运转调度

制冷系统通过其子控制系统和主控计算机对制冷压缩机进行运转调度,确保制冷机组间运行时间的均衡,避免出现其中一台制冷机组高负荷运行而其他机组闲置的情况。

2.2.4 数据处理和存储

数据处理和存储功能强大,试验数据能准确无误地储存,提供方便的历史数据提取和查询工具。

2.2.5 故障侦测与报警

控制系统可对电源(如缺相、错相)超温、电机过载、制冷机超压过载、舱内有毒、有害气体(C0、CH)或氧气含量异常、加湿缺水等进行故障侦测,发生故障后根据控制逻辑关闭总系统或子系统,在显示屏上显示故障信息并发出声光警告。

2.2.6 故障诊断

实时故障诊断功能能实时检查故障,显示故障报表。发生故障后根据控制逻辑关闭总系统或子系统,在显示屏上显示故障信息和发出声光警告,进行故障排除指导。根据用户设置的试验流程和参数,结合故障的检测进行逻辑判断,可依靠剩余(未发生故障)的系统资源继续完成试验流程。

2.2.7 急停开关的设置

为了确保试验设备及人员的安全,除控制室可关闭整个工作系统外,舱内工作人员也可通过舱内的急停开关来关闭整个系统。

2.3 新风系统

试验舱内进行试验时,汽车启动运行会消耗试验舱内的空气,为了保证试验舱的压力平衡及车辆、人员的耗氧要求,必须向舱内补充适量的新鲜空气,这就是新风系统的主要作用。

未经处理的新风输入,会导致试验舱内温度、湿度参数失控,达不到试验要求,同时适量补给新风可提高试验舱控制性能,降低消耗,因此必须对引入的新风进行除湿净化处理和调节输入量。由中央控制新风系统侦测出试验舱内的设定参数,并根据外界环境共同决定所用新风机组的状态,同时根据汽车不同工作状态,由执行机构决定最佳进风量。新风系统分为高低温新风和湿热新风,当试验舱内进行低温试验,或温度在0℃以上且对湿度要求较低时,使用低温干燥新风机组;在试验舱内进行温湿度试验且湿度较高时,使用湿热新风机组。

2.4 加热系统

为使试验舱升温快速、稳定、可控,配置专用的加热器和优质的固态继电器等。加热器采用镍合金电加热。

2.5 加湿、除湿系统

专用优质的加湿器和上水系统可对试验箱进行加湿,使加湿快速、稳定、可控,使试验舱的湿度始终控制在用户设定的湿度范围内。当试验舱内湿度过高需要除湿时,系统自动启动一台制冷机通过箱内除湿换热器将多余湿气凝结,并排到箱外。

2.6 风道系统

为保证较高的均匀度指标,试验室设有内部循环送风系统及专用风道;工作室一端的风道夹层内,分布布置有加热器、制冷蒸发器、风叶等装置;采用多台风机使箱内空气循环,当风机高速旋转时,将工作室中的空气吸入风道内,经加热、制冷后从风道吹出,在工作室中与试品冷热交换后的空气再被吸人风道内,反复循环,从而达到温度设定要求。

2.7 废气排放系统

(1)废气排放系统能够使废气在各种温度条件下顺利排出;风机电机可变频调速以调节排气量。

(2)废气排放系统能够使废气在常温下排出。提供2套能接至汽车排气管的可移动的柔性绝热管,并预留排气法兰接口,以适应不同的车辆。

(3)排气风机的排气量在25℃时不小于2 000 m3,风量可以调整。

(4)通过排汽系统与新鲜空气补偿系统监视和确保环境舱内为微正压(0～50 Pa)。

2.8 空调系统

空调系统由空调舱体、对流风机、加热器、加湿器、制冷机组组成。空调舱体由硬质聚氨酯发泡板快速拼装而成,为了施工和检修方便预留2扇通行门,并对舱底进行防渗漏处理。

2.9 安保装置

如果出现下列情况,系统将自动关闭,随即进入保护状态,并显示报警位置,发出声响提示:①报警声信提示独立(与主控制器分离)电子式超温报警保护;②机械式超温报警保护;③压缩机过热、过电流保护;④压缩机超压保护;⑤压缩机油压差保护;⑥电源欠、错相保护;⑦缺水、断水报警保护;⑧加湿防干烧保护;⑨循环冷却水缺水报警;⑩循环冷却水流量保护;⑧地面防滑安全保护;12CO、CH废气超标保护;13接地保护;14故障报警声信提示。

3 研发建设的基本流程(如图3所示)

4 技术要点分析和难题解决方案

4.1 解决试验舱内积水问题

试验舱内由于存在低温和高湿环境,因而可能出现积水现象,为尽快排干舱内积水,在施工时将试验舱底形成3°的倾斜角并均布排水沟,将排水口设置在最低处。

4.2 能量调节措施

在保证试验舱主要技术指标的前提下,必须根据不同的降温速度和温度范围实现对系统制冷能力的调节。为此,我们相应增设了能量调节措施,如蒸发温度调节、能量调节、热气旁通能量调节,确保在满足主要技术指标的前提下,降低设备能耗。

4.3 新风补偿措施

为了满足试验舱内人员和汽车对空气的需求量且不浪费能源,我们增配了自动可调节新风补充系统,并在该系统的干燥机前后加入温湿度调节装置,它能根据室内氧浓度及废气含量自动调节新风的补充量,而且补入的新风经过干燥和过滤处理,能保证制冷系统正常工作。

4.4 保持温度、湿度均匀措施

试验舱温度、湿度的均匀性是一项重要指标。试验舱内气流的组织形成,直接影响舱内温度、湿度场分布的均匀性。合理组织气流可以有效消除热湿负荷,减少气流的不规则流动,从而提高设备温度、湿度的均匀性。根据本试验舱的实际工作舱空间尺寸和试验品的要求,我们采用一层对流结构系统,启动对流风机能使舱内空气保持对流状态,达到升降温速率和温湿度的均匀度要求。

4.5 解决环境试验舱地面的变形问题

在传统的试验舱制造工艺中,承重层和保温层之间通常采用普通木板作为均压层,普通木板的最大缺点是在高温高、压下易产生变形。基于电木板具有机械强度高,耐腐蚀性、耐燃性、防水性、绝缘性、隔音性、耐候性等综合性能良好的特点,本次设计最终采用厚度为2 cm电木板作为均压层,上方铺设不锈钢花纹防滑板,下方铺设厚度为150 mm的加强硬质聚氨酯发泡层,从而避免试验舱地板因高温、高压产生变形,也使整个地面达到了更理想的保温、承重、防水等效果。

4.6 解决试验人员进出的安全问题

在试验室左侧设计一扇尺寸为800 mm×1 800 mm的人员进出安全小门,该小门具有内、外开门功能,试验舱正面尺寸为2 500 mm×2 300 mm,供车辆进出的大门也设计有内、外开门的功能,可防止试验人员被关在试验舱内。

5 技术性能指标和水平(见表1)

6 优化改进意见

6.1 试验样品安装

由于汽车零部件样品的规格尺寸不同,目前已建成的环境舱地板是平底铁板,所以不利于样品的安装。为了解决此问题,我们在环境舱的一定范围内铺设了带“T”形槽的铁地板,以便于试验样品的安装。

6.2 节能降耗方面

目前,试验舱总功率约150 kW,我们将继续对系统进行优化,在保证试验箱主要技术指标的前提下,根据不同的降温速度和温度范围对系统的制冷能力进行调节,探索更为合理的操作方法,从而达到降低能源消耗的目的。

7 结语

本次研发建设的轻型车整车环境试验舱,具有多种功能和良好的结构设计,操作简便,测量和控制精度高,试验结果重复性好,可靠性高,工作寿命长。设备适用于装点燃式发动机、总质量不超过3 000 kg的M1类、M2类、N1类汽车,在试验时能提供-45～90℃的环境模拟条件,能完成QC/T 658—2000[1]、GB/T 12546—2007[2]、GB/T 12782—2007[3]、GB11555—2009[4]、GB/T 12535—2007[5]等标准规定的汽车空调整车降温性能试验[1]、汽车隔热通风试验[2]、汽车采暖性能试验[3]、汽车风窗玻璃除雾系统及除霜系统的性能要求及试验[4]、汽车整车(或发动机)的低温起动性能试验[5],还可以为相关零部件企业进行产品环境适应性试验和研究提供相应的技术保障平台。

摘要：文章介绍了GDS0600轻型车整车环境试验舱的构成、技术原理及其研发建议的基本流程,并进行了技术要点分析,针对技术难题提出了解决方案。

关键词：轻型汽车,环境试验舱,模拟环境,试验

参考文献

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环境试验舱论文 篇3

关键词：独立式散热舱,安装角度,安装位置,流动阻力,流动不均匀性,匹配

0引言

目前绝大多数工程机械依然采用将散热系统与发动机布置在一个舱室内的传统布置方式。这种方式不仅迎风冷却效果不明显,而且动力舱内部流动阻力很大,散热器之间流动与传热的相互干扰比较严重,再加上发动机、变矩器以及液压系统等的散热负荷很大,整个散热系统的环境条件十分恶劣[1]。随着车辆冷却技术的发展,把多个散热器组合起来形成一个独立的舱室以加强冷却、增加散热器散热面积,已成为工程机械散热系统的一种发展趋势[2]。

独立式散热系统存在着多种布置形式。Jrg Soldner等[2]提出了一种散热器环绕离心式风扇布置的独立式散热系统,该系统散热能力强,风扇功耗小、噪声低,并且布置十分紧凑。韩松等[3,4]提出了一种立方体式独立式散热舱,即吸风式风扇和散热器分别布置于立方体舱的一个面上,该系统可以利用电控设备实现每个散热器的单独控制进而提高散热效率。上述形式的独立式散热舱在布置上与传统串联式散热舱差别很大,其风扇与散热器的位置关系、舱体内部流场分布情况等都发生了新的变化。关于这些变化已有不少学者进行了研究。Ian J. Kennedy等[5]通过仿真和试验两种方法对比研究了散热器相对风扇倾斜布置对冷却模块散热能力的影响,结果表明倾角在30°以内时倾斜对冷却模块的散热能力有很微弱的提高。Haruaki Kanematsu[6],Kim Man-Hoe[7]等研究发现,在散热器均匀气侧入口条件下,当散热器迎风面与冷却空气流动方向之间超过一定夹角之后,其流动阻力开始急剧上升。Hallqvist Thomas[8]通过数值仿真方法模拟车用散热器模块的实际运行环境,研究了各个部件对其流动与传热的影响。

上述文献对冷却模块相对风扇倾斜布置,冷却模块与来流风速之间存在夹角等问题进行了研究,但这些研究都是基于散热系统的某些模块进行的,对整个系统的影响并未说明。

为了解独立散热系统冷却空气侧流动特性,并为实际工程应用提供指导和理论依据,本研究开发独立式散热舱模拟试验系统,并将基于该系统研究不同工况下独立式散热舱流动阻力和流动不均匀性的变化规律,散热器安装角度、安装位置等因素对散热舱气侧流动特性的影响以及风扇与散热舱的匹配关系。

1独立式散热舱流动特性实验

1. 1 独立式散热舱模拟试验系统

本研究设计的独立式散热舱模拟试验系统如图1所示,该系统主要包括舱体模块、散热器模块、风扇模块、变频电机模块、数据采集模块等,其中散热舱在结构上呈立方体布置,即风扇和散热器分别安装于六面体舱的一个面上,中冷器和水箱散热器呈对置关系布置,二者分别位于风扇的左右两侧,散热舱结构具体分布如图2 所示。为方便以后系统可视化研究,该系统舱体搭建材料选用了透明度较高的亚克力板材,立方体舱的尺寸为1 000 mm × 1 000 mm × 1 000 mm,风道尺寸为600 mm × 600 mm × 900 mm。系统风扇为吸风式风扇,风扇直径为 Φ650 mm,共有9 片叶片均布且叶尖有风扇环连接固定,风扇由变频电机通过皮带轮驱动。系统水箱散热器芯子尺寸为820 mm × 644 mm ×56 mm,芯部管高度2 mm,翅片高度7. 5 mm; 中冷器芯子尺寸为800 mm × 600 mm × 50 mm,芯部管高度10. 1 mm,翅片高度8. 9 mm。

1. 2 独立式散热舱流动特性试验方案

本研究主要内容为常用工况下独立式散热舱内散热器流动阻力变化规律,散热器表面风速分布不均匀性规律,以及散热器安装角度、安装位置等因素对流动阻力和气体流动不均匀性的影响规律。

为研究各常用工况下上述因素对独立式散热舱冷却空气侧流动性能的影响,笔者制定的试验方案如表1 所示。

试验将结构类型A作为台架的基本结构,具体分布如图2 所示,该试验研究独立式散热舱基本结构下散热器流动阻力特性和气体流动不均匀性。笔者在结构A的基础上,分别将中冷器和水箱散热器倾斜10°、20°、30°安装,研究散热器安装角度对散热舱流动性能的影响。笔者在结构A的基础上,本研究将中冷器和水箱散热器由对置安装改为呈垂直关系安装,研究散热器安装位置对散热舱流动性能的影响。

关于散热器倾斜安装的方式,Lisa Henriksson等[9]提出了如图3 所示的两种方案。在方案A中,风道尺寸不变,散热器迎风面积改变; 在方案B中,散热器迎风面积不变,风道尺寸改变。方案B改变风道横截面面积,影响了通过散热器的气体流量,对散热器安装角度的研究会产生一定干扰,结合工程应用中车辆散热器进风口横截面不会发生改变的实际情况,本研究在倾斜安装散热器时选择A方案提供的方式。

1. 3 试验设备及方法

该试验在独立式散热舱模拟试验系统上进行,试验中测量的参数包括风扇及散热器前后端面压差,风扇转速及扭矩,各散热器入口速度分布。本试验使用到的仪器主要有压差传感器、扭矩传感器、转速传感器、叶轮风速仪等,其具体要求如表2 所示。试验所用的传感器都经过标定,在数据采集与分析系统中利用文献[10]中相关理论进行了误差分析,误差分析表明系统的测试数据可靠。

本研究用叶轮风速仪测量各试验方案下散热器表面入口风速分布时,将风道内散热器表面划分为16 个均匀的测量通道,16 个叶轮分别置于每个通道的中心处并紧贴散热器表面安装。笔者按照表1 的试验方案改变热交换器安装位置和安装角度,调整变频电机转速,改变风道内气体流量,当系统各参数达到设定值并稳定后,通过计算机数据采集系统采集试验数据。

2试验结果及分析

2. 1 散热器流动阻力分析

冷却气流通过散热器芯部时,对散热器压力变化起影响作用的因素主要包括四个方面: ①截面收缩段的入口效应; ②翅片通道内的流动加速; ③芯体内部表面的摩擦影响; ④截面扩张段的出口效应。通常情况下,车用散热器的芯部通道普遍较短,翅片通道内空气加速效应对散热器阻力的影响非常小,可忽略。因此,通过散热器芯部的压力降计算公式可表示为:

式中: vm—散热器进出口风速的算术平均值; Aa—空气侧换热总面积; Ac—芯部自由流通面积; f—摩擦因子;Kc,Ke—进、出口压力损失系数。

由式( 1) 可知,散热器阻力与散热器表面入口风速呈正相关性,为研究本试验中不同安装倾角和安装位置下散热器阻力变化情况,此处引入当量风速vR[10]:

式中: n—散热器表面入口风速测量单元数,Ak—风速测量单元面积,AR—散热器入口总面积,vk—流经测量单元面积的风速。

当量风速vR即为散热器表面入口平均风速,本研究通过计算分析该值的变化规律进而分析散热器阻力。

根据叶轮风速仪测得的散热器表面风速分布情况,由公式分别计算出通过中冷器和水箱散热器的气体流量,结果如图4 所示。随着安装角度从0°变化到30°,通过水散的气体流量呈现出先略微上升后下降的规律,通过中冷器的气体流量则先略微下降后上升。

笔者由上述计算得出的散热器流量值,分别计算相应的散热器当量风速值,结合测得的散热器流动阻力,作出不同安装倾角下散热器阻力随当量风速vR的变化关系图,如图5 所示。由图5 可知,在相同倾角下,散热器入口表面积不变,随着风扇转速增加,中冷器和水散的当量风速vR增大,二者流动阻力也增大;在相同风扇转速下,随着安装倾角的增大,散热器入口表面积增大,中冷器和水散的当量风速vRvR减小,二者的流动阻力也分别相应减小,因此在相同风扇转速下,安装倾角在30°以内时,倾角越大中冷器和水散的流动阻力越小; 而在相同当量风速下,中冷器和水散未倾斜安装时的流动阻力最大,在安装倾角为20°时的流动阻力最小。

中冷器和水箱散热器的安装位置则由对置形式改为垂直形式时,散热器阻力变化规律如图6 所示。相同风扇转速下,中冷器和水散垂直安装时的当量风速值均大于对置安装时的风速值,二者的流动阻力在垂直安装时也都大于对置安装时的流动阻力。出现这种现象主要是因为对置安装时,通过中冷器和水散的空气流动方向相反,二者对对方流动的阻碍作用更加显著,这使得流经中冷器和水散的风速相对较小,由公式( 1) 可知这种情况下散热器阻力也相应较小。

2. 2 冷却空气流动不均匀性分析

换热介质的流动均匀性对散热器的流动阻力和散热性能都有着重要影响。笔者为研究空气流动不均匀性对独立式散热舱流动特性的影响,引入了速度场相对不均匀性系数i[10]:

根据叶轮风速仪测得的散热器表面速度分布,分别计算不同工况下散热器表面风速分布的相对不均匀系数i,结果如图7、图8 所示。由图7 可知,在同一安装倾角下,随着风扇转速的增加,中冷器和水散的相对不均匀系数基本不变。随着安装倾角的增加,中冷器和水散表面速度分布的相对不均匀系数均增加,且在同一风扇转速和安装倾角下,中冷器相对不均匀系数均大于水散相应的值。由图8 知,在同一风扇转速下,中冷器和水箱散热器表面风速分布相对不均匀系数在垂直安装时比对置安装时大。

在试验各工况中,随着散热器倾斜安装,中冷器和水箱散热器表面入口风速分布均出现了“分层”现象,即较大风速集中出现在散热器表面的上端和右侧,较小风速则集中出现在散热器表面的下端和左侧,并且随着安装倾角的增大,这种“分层”现象越明显。这主要是因为在该试验台架上,散热器右侧在安装位置上更靠近风扇,而随着散热器安装倾角的增加,中冷器和水散的上端与风扇的距离逐渐减小,下端与风扇的距离逐渐增大,安装距离的缩小减小了风扇与散热器之间的系统阻力。结合图7、图8 可知,这种“分层”现象导致了安装倾角越大,散热器表面速度分布越不均匀,相对不均匀系数越大,而由于中冷器芯部管尺寸更大,翅片分布更稀疏,中冷器比水箱散热器表面速度分布更不均匀。

2. 3 风扇与散热舱匹配分析

该试验台架的空气流动由吸风式风扇驱动,通过风扇的气体流量等于通过中冷器和水箱散热器的冷却气体流量之和。结合试验测得的风扇压升以及相应工况下计算得出的总风量,作出风扇压升与气体流量之间的变化关系图,如图9 所示。由图9 可知,在各试验方案下,系统风扇压升都比较小,对应的总风量却比较大[12]。

根据以上风扇压升和风量的变化关系曲线以及台架吸风式风扇的性能曲线,作出风扇与独立式散热舱的匹配曲线,如图10 所示。该散热舱系统阻力较小,通过的气体总流量较大,这就使得本试验台架所用的吸风式风扇经常工作于风扇压升较小、气体流量较大的区域。根据试验测得的风扇扭矩、风扇压升、系统气体流量等,由公式 η = HQ/p = 9550H·Q/( T·n) 计算本试验台架风扇的效率,据结果可知大部分工况下风扇效率都处于30% 以下,风扇效率偏低。因此,根据独立式散热舱系统阻力偏小、冷却气体总流量较大的特点,本研究应选择正常工作下风扇压升小、气体流量大的吸风式风扇与之相匹配。

3结束语

本研究依靠新开发的独立式散热舱模拟试验系统,对独立式散热舱的散热器流动阻力、气体流动不均匀性、风扇与散热舱的匹配关系等进行了试验研究,通过对比分析可以得到以下结论:

( 1) 散热器倾角在30°以内时,随着中冷器和水散的倾斜,二者的流动阻力逐渐减小,通过中冷器的气体流量先下降后上升,通过水散地气体流量先上升后下降。中冷器和水箱散热器的相对位置关系由对置改为垂直时,二者的流动阻力和气体流量均变大。因此,在独立式散热舱的实际工程应用中,如果安装空间等条件允许,可以通过适当调节散热器的安装角度和安装位置来改变通过散热器的气体流量。

( 2) 散热器对置安装时,随着散热器倾斜,散热器表面速度分布出现“分层”现象,倾斜角度越大,“分层”现象越明显,散热器表面速度分布越不均匀。散热器由对置安装改为垂直安装时,散热器表面速度分布更加不均匀。

(3)独立式散热舱系统阻力较小,整个系统的冷却气体总流量较大,所以在实际应用中应选择正常工作下风扇压升小、气体流量大的风扇与之相匹配。

参考文献

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[11]吕峰.商用车冷却模块匹配设计方法研究[D].杭州:浙江大学动力机械及车辆工程研究所,2011.

低温低压环境舱压力系统设计 篇4

1 压力控制系统设计

高低压环境舱设计参数如下。

模拟环境箱模拟海拔高度变化范围在当地海拔高度0~5 000 m之间, 因此压力系统只有真空系统一个部分, 真空系统用于模拟高海拔状态下对应的真空度, 同时要保证升降压速率要求。压力系统主要由真空泵组、电动调节阀、电动阀组、传感器、截止阀等组成。压力系统原理图如图1所示。

2 真空系统设计

真空系统用来实现低气压、高低温、高湿环境箱所需的低气压环境, 系统由真空机组、阀件及其他附属设备组成。压力控制子系统原理如下。

在不同的流动状态下, 管道中的气体流量和导气能力计算方法不同, 由于在真空抽气过程中湍流的出现时间较短, 常常不加以单独考虑, 而是将其归入粘滞流态。其他流动状态的判别可用克努曾数λ/d或管道中平均压力p与几何尺寸d的乘积pd作为判据。

当粘滞流满足λ/d<1/100的条件时, pd>1 Pa·m;当中间流满足1/100<λ/d<1/3的条件时, 0.03 Pa·m<pd<1 Pa·m。

根据以上分析, 环境箱真空系统在常用工作高度内, 主要为粘滞流, 因此, 系统设计中流导按粘滞流进行计算。

环境箱为单室试验设备, 其有效容积约为10 m3, 最大工作高度5 000 m (54.0 k Pa) , 高度升降速率按5 m/s计, 则箱内海拔高度由当地 (按101 k Pa) 升至5 000 m所需时间最少为1 000 s。

式中:s为泵的计算抽速 (m3/h) ;V为箱体的最大箱容 (L) ;t为高度上升时间 (s) ;P1为箱体初始压力 (k Pa) ;P2为箱体最终压力 (k Pa) 。

一般情况下, 泵的名义抽速取泵计算抽速的1.3倍。

式中:S名为指泵的名义抽速 (m3/h) ;S为指泵计算抽速 (m3/h) 。

即按最大上升速率计算所需真空泵的名义抽速为25 m3/h。

3 复压系统设计

需要恢复压力时, 中央控制器按最终压力目标或升压速率自动调节真空泵的开启或高真空阀的开闭时间, 以达到所需升压速率或最终压力。具体计算如下。

低气压、高低温、高湿环境箱需下降高度时, 依靠向舱内补充常压空气实现, 因复压速率为182.6 k Pa/h, 环境箱高度为54 k Pa, 高度恢复100 k Pa的时间为30 min。

在舱内绝对压力为54 k Pa, 要使舱内压力升至100 k Pa, 即将舱室内空气转换为常压状态, 假设在此过程中忽略温度变化的影响, 根据理想气体定律有:P1V1=P2V2, 则变化后的空气量为:

式中:P1为初始压力;P2为终始压力;V1为变化前容积 (m3) ;V2为标准状态下舱内气体的容积 (m3) 。

则需要补充的新风量=9.36-4.99=4.37m3, 因舱室高度 (海拔) 下降到当地海拔高度的时间为30 min=0.5 h, 则新风流量为4.37/0.5=8.74 m3/h。为保证系统具有良好的可调节性能 (实现不同的降压速率) , 因此系统设置电动调节阀进行流量调节 (见表1) 。

在新风补充的过程中, 舱内压力是不断变化的, 初始时可资用压力 (管道两端压差) 远大于空气流动所需的动压, 此时流速高于计算流速, 实际的风量大于设计流量。因此计算结果完全可以满足下降速率的要求。

4 结语

该低压环境舱实现了海拔高度变化范围为0~5 000 m (54.0 k Pa) , 高度控制精度为±3 k Pa (3%~4%) ;高度升、降速率≤5 m/s。较好地满足了GJB150A中试验的要求。

参考文献

[1]达道安.真空设计手册[M].国防工业出版社, 2014.

环境试验舱论文 篇5

标准配送式智能变电站建设深化、完善、提升变电站建设模式, 通过 “标准化设计、 工厂化加工、 装配式建设”全新建设模式, 能进一步深化标准化建设, 不仅有利于提高工程建设的质量、效率和整体能力, 同时也能够省地节资, 降低全寿命周期成本, 从整体上提升智能变电站技术水平, 进一步凸显变电站工业设施的定位, 为智能电网的绿色、健康发展奠定坚实基础, 对智能电网的发展具有重要的推动作用。而预制舱作为配送式智能变电站的重要组成部分, 承载着二次智能组件就地、 分散布置的重任, 其环境适应性关系到变电站的安全稳定运行。

西北电网地处高海拔、大风沙区域, 大风沙天气对电气设备、构支架、建筑物、户外布置二次设备等均有较大影响, 威胁着变电站安全运行, 故需对变电站设备环境适应性进行研究。

1 沙尘天气对电气设备的影响

沙尘天气对电气设备主要有以下影响。

(1) 引起设备外露传动部件卡涩, 从而影响设备正常运动机能。

(2) 引起户外隔离开关动静触头卡涩、 阻塞, 从而导致隔离开关合闸不到位或动静触头保护层破坏。

(3) 细微沙尘进入设备操作机构箱、 端子箱或智能控制柜、二次设备预制舱等, 影响控制设备的正常功能。

(4) 飞扬的砂石冲击或打磨设备外表面, 损坏设备表面漆层, 影响电气设备外观。

(5) 飞扬的砂石冲击或打磨绝缘子外表面, 损坏绝缘子釉质, 影响绝缘子的电气绝缘性能。

(6) 沙暴天气下的强劲大风增加了作用于设备上的风压, 对设备的强度要求提高。

2 预制舱体结构设计

针对西北地区大风沙环境特点, 对预制舱体结构设计进行优化。舱体骨架采用焊装一体式结构, 该结构具有足够的机械强度和刚度;主要钢材选用优质碳素结构钢, 其屈服强度不小于235MPa, 在起吊、运输和安装时不会变形或损伤。舱体底架部件由型钢焊接而成, 主要钢材选用优质碳素结构钢, 其屈服强度不小于235MPa。框架、门板及顶盖均采用优质冷轧钢板经喷砂、热喷锌防腐处理工艺或采用不锈钢材质, 框架钢板厚度不小于2.5mm, 门板和顶盖钢板厚度不小于2mm; 底板厚度不小于3mm。 预制舱截面如图1所示。

外壳的门板与框架采用铰链连接, 铰链设计在外壳内侧, 制成暗铰链。门板安装的铰链和门轴等活动部件采用不锈钢材料制作, 可保证活动处在舱体使用年限内不生锈。舱体采用户外铝合金锁盒并配置工程塑料电力专用锁。

舱体顶盖如图2所示。舱体顶盖应有不小于5°的明显散水坡度, 边沿应设有滴水沿, 以防止雨水回流进入舱体。舱体尽可能少用外露紧固件制作, 以避免螺钉穿通外壳使水导入壳内;若无法避免使用外露紧固件, 则必须选用不锈钢紧固件, 可防止紧固件生锈。对穿通外壳的孔, 应采取相应的密封措施。

所有门应向外开启, 开启角度大于90°, 并设置定位装置。门的设计尺寸应与所装设备的尺寸相配合, 并装有把手和暗锁。检修走廊的门应选用内外可方便开启的安全门锁, 并具备内部有人时防止门锁锁死的功能。通道门设门控自动开闭+手动开闭的照明设施。

预制舱采用上述结构设计方案, 舱体结构能够适应站址所在区域外部恶劣的环境 (大风、沙尘暴) 和强地震烈度地区抗震设防的要求, 同时满足运行人员对设备巡视、检修的要求。舱体结构示意图如图3所示。

3 预制舱体材质选择

预制舱采用GRC玻纤复合材质。GRC以耐碱玻璃纤维作为增强材, 以硫铝酸盐低碱度水泥作为胶结材, 并掺入适宜集料构成基材, 通过喷射、立模浇注、挤出、流浆等生产工艺制成轻质、高强高韧、多功能的新型无机复合材料。

预制舱侧壁及顶盖采用GRC玻纤复合材料, 具有以下技术特点。

(1) GRC玻纤复合材料自身抗渗性能好, 耐盐碱, 结合环氧砂粒喷涂工艺, 通过双重化保护, 舱体的抗腐蚀性能优异, 使用寿命可达40年。

(2) GRC玻纤复合材料自身具备建筑质感且着色性能好, 适应各种喷涂方式, 装饰性好, 内外墙表面成一整体, 无拼接缝隙。GRC玻纤复合材料除起到围护作用外, 还因自身强度高、具备载荷能力, 而与钢结构框架结合, 形成稳固的结构, 使舱体整体强度提升, 可在舱体各面安装设备。

(3) 墙体材料修补方便, 可用水及洗洁精擦洗, 易于打理。舱体材料具备一定的亲水性, 使水蒸气不易在舱体内壁凝结形成凝露。

(4) GRC玻纤复合材料密封性能好, 可长时间浸入水中。

(5) 舱体稳定性好、 整体强度高、 防风能力强, 可承受150km/min (超过40m/s) 的风力而无结构失效或永久变形。

综上, 采用GRC玻纤复合材料作为舱体材料, 提高了舱体强度及稳定性, 提升了防风沙、抗凝露的能力, 达到了全地区气候适应性要求。

4 预制舱内运行环境净化措施

针对变电站站址气候条件的特殊性, 采取多项预制舱内运行环境净化措施, 为舱内二次设备营造适宜的运行环境。

4.1 新型微正压空调技术

考虑气候条件、环境因素, 对于多风沙地区、极寒地区、高污秽地区, 预制舱内采用微正压防尘技术, 舱内气压达到1.05倍外部环境气压, 达到防尘、 防潮、 防凝露效果, 确保二次设备的稳定运行。

微正压空调是一种结合微正压系统和空调系统的一体化设备。当微正压防尘装置检测到电气设备内部气压不大于外部气压时, 微正压空调将室外新风经滤芯过滤、除湿、增压后引入舱内, 保持一个相当于1.05倍标准大气压的空气压力, 形成电气设备内的微正压。舱内压力略大于舱外, 门窗缝隙处泄漏的空气向外流动, 灰尘无法通过这些缝隙进入舱内, 也就无法进入电气设备内部, 从而达到防尘效果。微正压一体防尘原理如图4所示。另外, 空调系统负责调节舱内温湿度, 以确保舱内运行环境恒温恒湿。

在舱体顶部设置循环风道系统, 将微正压空调系统注入的清洁空气均匀输送至舱内各区域, 以保证各区域恒温恒湿。

4.2 采用防尘隔室设计

在预制舱入口处设置一个隔室并安装塑钢门, 以解决进出预制舱时外部风沙灰尘极易进入预制舱的难题。

4.3 舱体密封隔热保温措施

预制舱体运用 “冰箱”保温措施与工艺, 采用低导热系数材料包裹钢筋骨架结构, 夹层中填充阻燃发泡材料 (聚氨酯) 。预制舱体中没有直通内外部的金属, 因此没有形成热桥, 使得舱体内部到外部具有较低的热阻, 墙体厚度100mm即可满足保温要求。 舱体门板采用 “断桥隔热”技术, 内门板相对于外门板处于悬浮状态 (点接触) , 最小间隙不小于3mm, 同时填充密度为37kg/m3的阻燃发泡材料 (聚氨酯) , 使得两者间的热传导率减少至2%。角立柱、中立柱断桥隔热技术如图5所示。

舱体在图6 所示位置采用三元乙丙材料制作的密封条, 该材料具有寿命长 (10年以上的使用寿命) 、弹性高特点。

4.4 舱体防腐技术

舱体采用喷砂、热喷锌、喷锌加涂料、喷户外高档聚氨酯面漆防腐处理, 不锈钢板采用喷砂、喷户外高档聚氨酯面漆防腐处理。金属材料经防腐处理后表面覆盖层应有牢固的附着力, 并均匀一致, 以保证舱体40年不锈蚀。舱体底架槽钢经喷砂、喷锌处理后, 采用沥青漆重度防腐处理, 保证底架40年不锈蚀。舱体防腐示意图如图7所示。

喷锌表面锌层厚度不小于55~65μm。 涂层表面必须均匀, 不允许有起皮、鼓泡、大熔滴、裂纹、掉块及其它影响涂层使用的缺陷。

舱体面漆采用抗紫外线、抗老化、长寿命的聚胺脂类高档面漆, 喷涂厚度不小于30~40μm, 保证面漆40年内不退色、不氧化、不粉化。

5 结束语

结合西北工程站址区域环境特点, 提出恶劣气候条件下的预制舱设计方案。该预制舱具有除湿控温、屏蔽电磁干扰、防雨防尘等功能, 为智能变电站内二次设备提供了适宜的运行环境和方便、舒适、人性化的运维场所。

参考文献

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