專利名稱：大型臂式離心機試驗艙的溫度控制裝置及控制方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種溫度控制方法及裝置，尤其是涉及一種大型臂式離心機試驗艙的溫度控制裝置及控制方法。
背景技術：
土工離心機是一種大型高速旋轉的機械設備，利用離心機產生的離心加速度模擬重力加速度，離心力場模擬地球重力場，在模型中再現原型構筑物的自重應力，是土工試驗的有效方法。土工臂式離心機一般由轉臺、轉臂和吊籃等主要部件組成，其中轉臂和吊籃為旋轉部件。放置上述部件的空間統稱為試驗艙，該艙為一圓筒形建筑物，直徑一般為6 20m，高約2 4m。離心機工作時，轉臂和吊籃等部件高速旋轉，艙內空氣隨著轉臂和吊籃高速流動而產生大量熱量，這些熱量隨試驗時間的延長在試驗艙內積累，引起艙內溫度不斷升高。升高的溫度惡化艙內儀器的工作環(huán)境，直接影響測試結果的準確性和可靠性；熱量也會傳遞到試驗模型，導致模型基本性質的改變，降低研究成果可靠性。因此，在建設大型離心機時采取措施控制試驗艙內溫度是設計人員必須重視的是問題。大型離心機試驗艙內溫度控制按工作方式可分為自然式和強制式。自然式多采用空氣冷卻，試驗艙與周邊大氣環(huán)境聯通，離心機旋轉時從試驗艙中心吸入外界空氣，循環(huán)后從試驗艙周邊排出，帶走艙內熱量。該方式需要在試驗艙內設置進氣和排氣窗口，方法簡單、造價較低等優(yōu)點，但試驗艙內的溫度受周邊環(huán)境影響大，艙內溫度不能根據試驗要求設定和調整。強制冷卻方式是通過輔助設備輸入冷空氣或冷卻水來降低艙內溫度。這種方式要求試驗艙相對密閉，確保冷卻效果。強制冷卻一般以空氣或水為熱交換介質，稱為強制風冷和強制水冷方式。強制風冷方式在試驗艙設置進氣口和排氣口，并用通風管道與之相連， 系統工作時通過風機將冷空氣直接送入試驗艙，帶走艙內熱量從而降低艙內溫升。強制風冷方式所需設備簡單，對試驗艙溫度有一定的調節(jié)能力。強制水冷方式在艙壁設置金屬管線或夾層，通過水泵往艙壁內輸入冷卻水，通過冷卻水與艙內空氣實現熱交換降低艙內的溫度。由于靠近艙壁附近的空氣流速最快，產生的熱量最大，艙壁附近的溫升也最高，因此水冷方式產生很好的冷卻效果。強制水冷方式調節(jié)試驗艙溫度能力強，但該方法長期運行成本高?？梢?，離心機試驗艙溫度是離心模型試驗中需要嚴格控制的條件，不同試驗對試驗艙溫度提出不同控制要求。目前，土工離心機向多功能方向發(fā)展，需要滿足不同離心試驗對環(huán)境的要求。試驗艙降溫系統針對不同要求有較好的適應能力。

發(fā)明內容
本發(fā)明的目的在于提供了一個土工離心機試驗艙溫度控制方法和裝置，該方法能針對不同試驗對環(huán)境溫度的要求，自動調節(jié)，提供適合的降溫方式，從而達到滿足多類型土工離心模型試驗要求，降低試驗總運行成本的目標。
本發(fā)明采用的技術方案是
一、一種大型臂式離心機試驗艙的溫度控制裝置
制冷風機經通風機后，一路經排氣道從試驗艙的一側上端接入，另一路經進風道從試驗艙的一側下端接入，通風機上接有排氣口溫度傳感器，以上構成風冷卻子系統；或者冷卻塔的一端經制冷水機、閥門和進水管從試驗艙的另一側上端接入，冷卻塔的另一端經水泵、 另一閥門、集水箱和排水管從試驗艙的另一側下端接入，集水箱上接有集水箱溫度傳感器， 以上構成水冷卻子系統；試驗艙內接有試驗艙溫度傳感器。所述的風冷卻子系統和水冷卻子系統同時接入試驗艙內。二、一種大型臂式離心機試驗艙的溫度控制方法
在試驗艙的兩側分別接入風冷卻子系統和水冷卻子系統構成復合冷卻系統，該復合冷卻系統在投入運行前應設定溫度參數，分別為艙內溫度tl，排氣口溫度t2，集水箱溫度t3 ； 其工作流程有如下四個步驟
步驟I)當艙內測量溫度tc低于設置艙內溫度tl時，冷卻系統不投入運行，當艙內測量溫度tc高于設置艙內溫度tl后首先通風機啟動運行，通過進風道將外部空氣送入離心機試驗艙，此時若艙內溫升停止則系統維持在通風機工作狀態(tài)。步驟2)試驗艙內溫度繼續(xù)升高，導致排氣道出口的溫度也繼續(xù)升高，當排氣道出口的溫度tk大于設定值排氣口溫度t2后，制冷風機投入運行，通風機將冷風送入試驗艙內，此時若試驗艙溫升停止則系統維持在制冷風機和通風機同時工作狀態(tài)。步驟3)隨著離心機轉速繼續(xù)加快，試驗艙內的溫度也會升高，當試驗艙內測量溫度tc設置艙內溫度tl的差值大于5°C后，水泵和冷卻塔投入運行，冷卻水通過進水管進入艙壁不銹鋼夾層，艙壁的溫度會隨之下降，進而帶動試驗艙內的溫升降下來，保持了艙內的溫度穩(wěn)定。此時的冷卻水是經過冷卻塔冷卻的水，然而冷卻塔的工作方式為自然降溫冷卻， 效果受環(huán)境影響很大。步驟4)上述三種冷卻措施均不能降低試驗艙內的溫升后，排氣道出口的溫度會繼續(xù)升高，同時流回集水箱內的水溫也會隨著升高，當集水箱測量溫度ts大于集水箱溫度t3 后，制冷水機投入運行，制冷水通過管道進入不銹鋼夾層，此時艙壁溫度會下降明顯，試驗艙內溫度也會被帶動下降，保持試驗艙內的設定溫度。本發(fā)明具有的有益效果是
本發(fā)明將風冷卻子系統和水冷卻子系統為兩個獨立的冷卻系統再通過可編程控制器 (PLC)聯系在一起，也能達到水氣聯合冷卻的目的和效果。該種方式具有兩個冷卻系統既可獨立運行工作，也可聯合運行的特點，使裝置的功效達到最佳；能在一定范圍內任意調節(jié)試驗艙內的溫度，提高離心試驗的可靠度和精度，該發(fā)明具有結構簡單、溫度調節(jié)力度大、自動控制調節(jié)等特點。


圖I是本發(fā)明的結構原理圖。圖2是本發(fā)明的聯合冷卻控制圖。圖3是本發(fā)明的聯合冷卻工作流程圖。圖中1、制冷風機，2、通風機，3、外進氣口，4、外排氣口，5、排氣口溫度傳感器，6、排氣道，7、不銹鋼夾層，8、不銹鋼內襯，9、試驗艙，10、艙壁，11、進水管，12、制冷水機，13、冷卻塔，14、水泵，15、閥門，16、集水箱，17、集水箱溫度傳感器，18、排水管，19、試驗艙溫度傳感器，20、集水溝，21、進風道。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。如圖I所示，制冷風機I經通風機2后，一路經排氣道6從試驗艙9的一側上端接入，另一路經進風道21從試驗艙9的一側下端接入，通風機2上接有排氣口溫度傳感器5， 以上構成風冷卻子系統；或者冷卻塔13的一端經制冷水機12、閥門和進水管11從試驗艙 9的另一側上端的內部艙壁10接入，冷卻塔13的另一端經水泵14、另一閥門15、集水箱16 和排水管18從試驗艙9的另一側下端的內部艙壁10接入，集水箱16上接有集水箱溫度傳感器17，以上構成水冷卻子系統；試驗艙9內接有試驗艙溫度傳感器19。7為試驗艙的不銹鋼夾層，8為試驗艙的不銹鋼內襯，試驗艙底部開有集水溝20 ;通風機2上有外進氣口 3 和外排氣口 4。所述的風冷卻子系統和水冷卻子系統可以同時接入試驗艙9內。如圖2所示，兩個子系統通過可編程控制器(PLC)和測量傳感器等有機的結合成水氣聯合冷卻系統。通過風冷卻和水冷卻的聯合作用，有效地控制了離心機試驗艙的溫度， 保證了離心試驗的可靠和數據的準確。冷卻系統通過可編程控制器(PLC)設定系統工作步驟與程序，其工作內容包括 I通過初始溫度設定分別設定試驗艙、排氣道出口和集水箱溫度；2通過測量模塊分別進行試驗艙、排氣道出口和集水箱溫度測量；3對初始設定溫度和測量溫度進行比較計算，根據計算結果通過控制驅動模塊分別驅動通風機、制冷風機、水泵、制冷水機等相應的設備運行。下面結合圖3的應用實例對發(fā)明原理，具體結構和工作工程作進一步說明。在離心機運行前，首先根據試驗要求確定溫度控制的標準，若離心機低速運轉，溫控標準又較低可設定兩個系統單獨投入運行。若溫度控制標準較高，則必須投入水冷和氣冷復合聯動運行。在試驗艙的兩側分別接入風冷卻子系統和水冷卻子系統構成復合冷卻系統，該復合冷卻系統在投入運行前應設定溫度參數，分別為艙內溫度tl，排氣口溫度t2，集水箱溫度t3 ;其工作流程有如下四個步驟
步驟I)當艙內測量溫度tc低于設置艙內溫度tl時，冷卻系統不投入運行，當艙內測量溫度tc高于設置艙內溫度tl后首先通風機啟動運行，通過進風道將外部空氣送入離心機試驗艙，此時若艙內溫升停止則系統維持在通風機工作狀態(tài)。步驟2)試驗艙內溫度繼續(xù)升高，導致排氣道出口的溫度也繼續(xù)升高，當排氣道出口的溫度tk大于設定值排氣口溫度t2后，制冷風機投入運行，通風機將冷風送入試驗艙內，此時若試驗艙溫升停止則系統維持在制冷風機和通風機同時工作狀態(tài)。步驟3)隨著離心機轉速繼續(xù)加快，試驗艙內的溫度也會升高，當試驗艙內測量溫度tc設置艙內溫度tl的差值大于5°C后，水泵和冷卻塔投入運行，冷卻水通過進水管進入艙壁不銹鋼夾層，艙壁的溫度會隨之下降，進而帶動試驗艙內的溫升降下來，保持了艙內的溫度穩(wěn)定。此時的冷卻水是經過冷卻塔冷卻的水，然而冷卻塔的工作方式為自然降溫冷卻， 效果受環(huán)境影響很大。步驟4)上述三種冷卻措施均不能降低試驗艙內的溫升后，排氣道出口的溫度會繼續(xù)升高，同時流回集水箱內的水溫也會隨著升高，當集水箱測量溫度ts大于集水箱溫度t3 后，制冷水機投入運行，制冷水通過管道進入不銹鋼夾層，此時艙壁溫度會下降明顯，試驗艙內溫度也會被帶動下降，保持試驗艙內的設定溫度。上述復合聯動工作方式經運行效果明顯，在一定的溫度范圍內可隨意控制試驗艙內的溫度，對保證科學試驗取到良好作用。
權利要求
1.一種大型臂式離心機試驗艙的溫度控制裝置，其特征在于制冷風機(I)經通風機 (2 )后，一路經排氣道(6 )從試驗艙(9 )的一側上端接入，另一路經進風道(21)從試驗艙(9 ) 的一側下端接入，通風機(2)上接有排氣口溫度傳感器(5)，以上構成風冷卻子系統；或者冷卻塔(13)的一端經制冷水機(12)、閥門和進水管(11)從試驗艙(9)的另一側上端接入， 冷卻塔(13)的另一端經水泵(14)、另一閥門、集水箱(16)和排水管(18)從試驗艙(9)的另一側下端接入，集水箱(16)上接有集水箱溫度傳感器(17)，以上構成水冷卻子系統；試驗艙(9)內接有試驗艙溫度傳感器(19)。
2.根據權利要求I所述的一種大型臂式離心機試驗艙的溫度控制裝置，其特征在于 所述的風冷卻子系統和水冷卻子系統同時接入試驗艙(9)內。
3.用于權利要求I所述裝置的一種大型臂式離心機試驗艙的溫度控制方法，其特征在于在試驗艙的兩側分別接入風冷卻子系統和水冷卻子系統構成復合冷卻系統，該復合冷卻系統在投入運行前應設定溫度參數，分別為艙內溫度tl，排氣口溫度t2，集水箱溫度t3 ； 其工作流程有如下四個步驟步驟I)當艙內測量溫度tc低于設置艙內溫度tl時，冷卻系統不投入運行，當艙內測量溫度tc高于設置艙內溫度tl后首先通風機啟動運行，通過進風道將外部空氣送入離心機試驗艙，此時若艙內溫升停止則系統維持在通風機工作狀態(tài)；步驟2)試驗艙內溫度繼續(xù)升高，導致排氣道出口的溫度也繼續(xù)升高，當排氣道出口的溫度tk大于設定值排氣口溫度t2后，制冷風機投入運行，通風機將冷風送入試驗艙內，此時若試驗艙溫升停止則系統維持在制冷風機和通風機同時工作狀態(tài)；步驟3)隨著離心機轉速繼續(xù)加快,試驗艙內的溫度也會升高,當試驗艙內測量溫度tc 設置艙內溫度tl的差值大于5°C后，水泵和冷卻塔投入運行，冷卻水通過進水管進入艙壁不銹鋼夾層，艙壁的溫度會隨之下降，進而帶動試驗艙內的溫升降下來，保持了艙內的溫度穩(wěn)定，此時的冷卻水是經過冷卻塔冷卻的水，然而冷卻塔的工作方式為自然降溫冷卻，效果受環(huán)境影響很大；步驟4)上述三種冷卻措施均不能降低試驗艙內的溫升后，排氣道出口的溫度會繼續(xù)升高，同時流回集水箱內的水溫也會隨著升高，當集水箱測量溫度ts大于集水箱溫度t3后， 制冷水機投入運行，制冷水通過管道進入不銹鋼夾層，此時艙壁溫度會下降明顯，試驗艙內溫度也會被帶動下降，保持試驗艙內的設定溫度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種大型臂式離心機試驗艙的溫度控制裝置及控制方法。制冷風機經通風機后，一路經排氣道從試驗艙的一側上端接入，另一路經進風道從試驗艙的一側下端接入，通風機上接有溫度傳感器，以上構成風冷卻子系統；或者冷卻塔的一端經制冷水機、閥門和進水管從試驗艙的另一側上端接入，冷卻塔的另一端經水泵、另一閥門、集水箱和排水管從試驗艙的另一側下端接入，集水箱上接有溫度傳感器，以上構成水冷卻子系統；試驗艙內接有溫度傳感器。兩個子系統同時接入試驗艙內，通過可編程控制器，能達到水氣聯合冷卻的目的和效果。具有兩個系統既可獨立或聯合運行的特點，使裝置的功效達到最佳；能調節(jié)試驗艙內的溫度，提高離心試驗的可靠度和精度。
文檔編號G05B19/05GK102609016SQ201210056370
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月6日 優(yōu)先權日2012年3月6日
發(fā)明者劉國貴, 孔令剛, 王順玉, 蔣建群, 陳云敏, 黃錦舒 申請人:浙江大學