大型CMM測量間高精度恒溫恒濕房溫度控制優(yōu)化設(shè)計探討

李力波，王 豪，丁永潔

（上海交通大學，上海 200240）

0 引言

三坐標測量儀（簡稱CMM）是一種精度高、測量迅速、性能穩(wěn)定的測量系統(tǒng)，具有光學CCD影像測頭、激光測頭，能夠滿足車間檢測需要。三坐標測量儀可以對尺寸、定位、幾何、輪廓進行精度測量，廣泛應用于各種零件、工裝夾具尺寸檢測及模具制造中的尺寸測量和復雜形面的快速掃描檢測。在模具、汽車、航空、軍工、機械等領(lǐng)域具有廣泛的應用。由于三坐標測量儀的各部分材料不同，溫度變化會引起熱膨脹系數(shù)不均從而導致測量精度失真和不穩(wěn)定。所以，在使用三坐標測量儀時，需要為其提供高精度的恒溫恒濕使用環(huán)境。某企業(yè)需要為6臺三坐標測量儀的恒溫恒濕環(huán)境室的空調(diào)系統(tǒng)進行改造，房間面積345m2，舊空調(diào)系統(tǒng)由于表冷器的溫度和流量波動大，導致無法將溫度控制在精度范圍內(nèi)。

關(guān)于恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)的實例有很多：李啟航[1]設(shè)計了某汽車廠總裝車間內(nèi)的測量間的空調(diào)系統(tǒng)，測量間面積為52m2，溫度控制在20℃（±0.5℃）。郭俊[2]等實驗研究了新型冷凝熱回收式恒溫恒濕空調(diào)機組性能。X.Yu[3]等為上海某檔案館大樓提出了基于地源熱泵的恒溫恒濕的空調(diào)系統(tǒng)，實現(xiàn)了比較精確的溫濕度控制。黃東[4]采用PID控制技術(shù)，對重慶地區(qū)卷包車間空調(diào)進行溫濕度控制，最終使溫度控制在24℃（±1℃），濕度精度在±3%。陳青龍[5]和魏星[6]分別對基于雙回路表冷器的恒溫恒濕空調(diào)系統(tǒng)進行控制優(yōu)化和熱濕解耦機理進行分析。魏星得到出口空氣含濕量受水溫的影響程度為75.68%，出口空氣溫度受水流量的影響程度為43.1%。

目前，小型環(huán)境室使用普遍，其控制方法也比較常見[7]，但這些控制方法用于大型環(huán)境室時，溫控效果會大打折扣。這是因為大房間具有溫度波動大，空氣流場不均勻等特點。目前越來越多的工廠中需要大型環(huán)境室，故本例在實際工程應用中有現(xiàn)實意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)原理

三坐標環(huán)境室空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)是在原有部分系統(tǒng)設(shè)備的基礎(chǔ)上進行的重新設(shè)計和改良，改造后的系統(tǒng)原理圖如圖1所示，包括空氣處理系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、控制系統(tǒng)三個部分。

1）空氣處理系統(tǒng)

圖1 系統(tǒng)原理圖

空氣處理系統(tǒng)采用二次回風處理手段，多重PID精確控溫控濕。室內(nèi)空氣通過回風管路回到空氣處理初始段與新風混合經(jīng)粗效過濾器流經(jīng)表冷器，經(jīng)過表冷器降溫除濕后與二次回風混合再熱，然后混合空氣經(jīng)過電加熱器加熱控溫，電極加濕器等溫控濕。風機作為動力源將處理后的空氣經(jīng)高效過濾器過濾后送入房間內(nèi)，空氣處理流程圖如圖2所示。通過調(diào)節(jié)風機輸入功率可以實現(xiàn)風速的控制[8]。三坐標環(huán)境室的送風溫濕度控制方法是：由PID根據(jù)回風溫度和濕度對空氣電加熱、電極加濕器的輸出功率進行增量調(diào)節(jié)，從而控制送風溫濕度。表冷器中冷卻水流量是由PID根據(jù)表冷器出風溫度對流量計的開度進行調(diào)節(jié)控制，從而實現(xiàn)表冷器的冷量控制。

圖2 空氣處理流程

2）冷卻水系統(tǒng)

為滿足冷卻溫度范圍，冷卻水采用乙二醇水溶液?？諝馓幚磉^程中的關(guān)鍵是保證表冷器的降溫性能穩(wěn)定，所以表冷器的進口溫度必須是恒定的。為了滿足這一要求，冷卻水系統(tǒng)中設(shè)置保溫水箱，采用PID調(diào)節(jié)水箱電加熱的加熱功率實現(xiàn)水溫控制。風冷冷水機組為系統(tǒng)提供冷量[9]。舊系統(tǒng)中的冷量是通過調(diào)節(jié)冷水機組中變頻壓縮機的功率來調(diào)節(jié)蒸發(fā)器冷量從而調(diào)節(jié)冷卻水水溫，但這種控制方法并不能很好的控制表冷器的入口水溫，水溫波動大，不適于高精度的溫度控制。此次系統(tǒng)中采用雙水箱設(shè)計，電加熱置于水箱2中，通過PID控制風冷冷水機組的冷水進口溫度。冷水機組制冷量一定時，可以通過調(diào)節(jié)冷水機組的進口水溫來實現(xiàn)出口水溫的控制。循環(huán)水從水箱2中經(jīng)過冷水機組降溫回到水箱1中，此時水箱1溫度恒定，冷卻水通過泵，進入表冷器中吸熱后回到水箱2中實現(xiàn)循環(huán)。

3）控制系統(tǒng)

整個系統(tǒng)可分為控制子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、報警處理子系統(tǒng)。控制原理圖如圖3所示。各子系統(tǒng)之間相互關(guān)聯(lián)，互相配合，參數(shù)共享?？刂葡到y(tǒng)以PLC為核心，以可視化觸摸屏作為人機交互的操作界面，測試系統(tǒng)的開啟與關(guān)閉全部在觸摸屏上進行?？刂葡到y(tǒng)中需控制的參數(shù)數(shù)據(jù)通過PLC數(shù)據(jù)采集模塊采集至觸摸屏顯示，通過PID控制器進行自動調(diào)節(jié)?？刂葡到y(tǒng)設(shè)置完備的保護措施和報警功能，保證系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運行。系統(tǒng)中用到的儀表參數(shù)如表1所示。

圖3 控制原理圖

表1 測量參數(shù)

1.2 控制參數(shù)

環(huán)境室溫濕度等控制要求和精度如表2所示。

表2 控制參數(shù)表

1.3 設(shè)計計算

為了達到環(huán)境室要求的溫濕度控制精度、溫度均勻性和空氣潔凈度要求，必須符合國家標準和設(shè)計規(guī)范要求的送風溫差和換氣系數(shù)，恒溫潔凈室空調(diào)系統(tǒng)采用全空氣定風量方式。

1）冷負荷計算

環(huán)境室最大冷負荷主要包括儀器設(shè)備的散熱，房間圍護結(jié)構(gòu)漏熱，循環(huán)風機和照明燈具等用電設(shè)備的散熱、房間降溫過程的熱容以及新風的熱負荷。計算公式如式(1)所示。

式中：Q1為燈具照明、操作人員等散熱，kW；Q2為循環(huán)風機等用電設(shè)備的散熱，kW；Q3為儀器設(shè)備散熱，kW；Q4為庫房圍護結(jié)構(gòu)漏熱量，kW；Q5為降溫過程的熱容量，kW；Q6為新風熱負荷，kW。

其中，庫房圍護結(jié)構(gòu)漏熱量Q4可按式(2)計算：

式中，K為圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，W/(m2.K)；A為圍護結(jié)構(gòu)的總面積，m2；?T為室內(nèi)外溫差，取最大值40℃；

其中圍護結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)K按式(3)計算：

α1為圍護結(jié)構(gòu)內(nèi)側(cè)表面對流換熱傳熱系數(shù)，W/(m2.K)；α2為圍護結(jié)構(gòu)外側(cè)表面對流換熱傳熱系數(shù)，W/(m2.K)；δ為庫體保溫材料巖棉的厚度，m；λ為庫體保溫材料巖棉的導熱系數(shù)，取0.037W/(m.K)。

降溫過程的熱容量Q5按式(4)計算：

m為房間空氣質(zhì)量，kg；Cp為空氣比定壓熱容，kJ/(kg.K)；?t為空氣降溫溫差，℃；τ為空氣降溫時間，s；

2）風量設(shè)計計算

環(huán)境室的送風量要滿足下列三項[10]：

滿足空氣潔凈度等級要求的風量：

根據(jù)標準GB 50073-2013，為保證潔凈度十萬級，房間的換氣系數(shù)應該≥15次每小時。

滿足室內(nèi)熱濕負荷和高精度恒溫要求的風量：

室內(nèi)熱負荷計算風量"G" ：

式中：Cp為送風氣流的比定壓熱容，kJ/(kg.K)；ρ為送風氣流的密度，kg/m3；?t為送風溫差，℃；Qr為房間熱負荷，kW。

滿足向房間供給的新鮮空氣量[11]。

按照GB50073-2013，保證房間5Pa～10Pa正壓所需的新風量按照房間換氣系數(shù)2～4次每小時計算。

經(jīng)計算，并且考慮到富裕度，設(shè)計參數(shù)如表3所示。

表3 設(shè)計參數(shù)表

2 數(shù)值模擬仿真校核

2.1 幾何模型與網(wǎng)格劃分

根據(jù)環(huán)境室的實際尺寸，1：1建立三維模型，如圖4所示。

圖4 三維模型圖

房間頂部為送風口，從風口處理的空氣經(jīng)過穩(wěn)壓箱和孔板進行整流后進入環(huán)境室。在本例中，回風后模型進行了一定的簡化，舍去條形回風口的物理形狀，而直接將同樣尺寸的面作為回風口進行數(shù)據(jù)模擬計算。幾何模型網(wǎng)格劃分如圖5所示。

圖5 幾何模型和網(wǎng)格劃分

由于孔板區(qū)域以及靠近壁面區(qū)域可能發(fā)生速度的劇烈變化，如孔板處存在氣流的突縮與突擴現(xiàn)象、靠近壁面處氣流會形成溫度、速度變化劇烈的薄層等，所以此處的網(wǎng)格劃分較細，而在大空間的空氣區(qū)域，網(wǎng)格劃分相對較粗，以減小計算量。全域網(wǎng)格數(shù)為1765779個。所有網(wǎng)格均為結(jié)構(gòu)性網(wǎng)格，網(wǎng)格質(zhì)量好。

2.2 邊界條件

根據(jù)氣流場的實際流動方式，設(shè)置幾何模型的邊界條件如下：

1）房間頂部方形區(qū)域為空氣入口，邊界條件為VELOCITY-INLET；

2）孔板為固壁，邊界條件為WALL；

3）孔板的開孔區(qū)域為內(nèi)部面，物質(zhì)與熱量可直接通過，邊界條件為INTERIOR；

4）由于三坐標測量室內(nèi)放置的裝置在工作時會產(chǎn)生熱量，且維護結(jié)構(gòu)存在漏熱等。為考核送風方式是否合理，測試室內(nèi)的溫度場、速度場是否均勻，達到設(shè)計要求，需模擬房間內(nèi)部的產(chǎn)熱[12]，在內(nèi)部設(shè)置內(nèi)熱源，邊界條件為RADIATOR；

5）房間一側(cè)區(qū)域為出風口，邊界條件為PRESSURE-OUTLET；

6）壁面邊界條件為WALL。

選擇SIMPLE算法的二階迎風格式（SECOND UPWIND）算法進行數(shù)值模擬。

2.3 模擬結(jié)果

數(shù)值模擬結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 溫度分布云圖

圖7 速度分布云圖

圖6為室內(nèi)溫度分布云圖，三層溫度云圖的位置分布為距地面1.5m、2.5m以及3.5m。各個斷面上的溫度分布均勻，同一平面不同位置處的溫度差，最大不超過0.2℃；溫度梯度在1m內(nèi)小于0.2℃。

圖7為室內(nèi)速度分布矢量圖，三層速度矢量圖的位置分布為距地面2m、3m以及4m。各個斷面上的速度分布均勻，同一平面不同位置處的速度大小相等，速度方向一致。

3 結(jié)果分析

按照設(shè)計方案，施工完成后對環(huán)境室進行溫度測試。測試條件：風機頻率為50Hz，環(huán)境室保持封閉，盡量減少開門次數(shù)，三坐標測量儀和電腦設(shè)備等正常運行，溫度設(shè)定為20℃，濕度設(shè)定為55%（RH）。測量時間為8小時，每隔3分鐘記錄一次數(shù)據(jù)。測點布置：在距地面1.5m、2.5m以及3.5m處各布置7個測點，一共測量21個溫度點位，測點布置圖如圖8所示。測試結(jié)果如圖9～圖11所示。濕度測量點布置在2.5m處，7個測點，測試結(jié)果如圖12所示。

圖8 測點布置圖

圖9 1.5米處溫度測量結(jié)果

圖10 2.5米處溫度測量結(jié)果

圖11 3.5米處溫度測量結(jié)果

圖12 2.5米處濕度測量結(jié)果

從圖9～圖11中可以看出，測點4的溫度值在各層是偏高的，這是因為在測點4處的房間外面有其他散熱設(shè)備，使得測點4 附近房間壁面溫度較高，對室內(nèi)溫度有所影響。還可以看出，測點7的溫度相比來說較低，這是因為測點7在在房間中央，距離各個散熱設(shè)備都相比較遠，受室內(nèi)內(nèi)熱源的影響比較小，所以溫度相比會低一些。房間內(nèi)各層溫度分布相比較來說，3.5m處的溫度較低，這是由于靠近送風口的緣故。而在2.5米處，可以看出溫度混合程度比較大，更加均勻。在1.5米處個測點的溫度波動幅度變小，更加穩(wěn)定。這種情況有利于設(shè)備的正常運行。

由數(shù)據(jù)分析可知，各個測點的溫度波動很小，波動均在0.1℃以內(nèi)。各個測量平面的溫差最大為0.28℃，整體房間最大溫差為0.33℃，溫度波動均在±0.2℃以內(nèi)。濕度值整體波動在±0.6%RH以內(nèi)。從實際結(jié)果看，房間整體溫差稍微大于模擬得到的結(jié)果，這是因為在模擬的過程中對房間進行了簡化，受條形回風口等方面的影響，實際上的溫度波動比模擬的效果差一點。

4 結(jié)論

本案例采用循環(huán)水過渡的方式，設(shè)計使用兩個聯(lián)合水箱，實現(xiàn)大型環(huán)境室空調(diào)系統(tǒng)冷量穩(wěn)定的功能，通過CFD模擬校核，實現(xiàn)有效的溫度控制。相比于改造前的空調(diào)系統(tǒng)，此次設(shè)計控溫效果非常理想，總結(jié)結(jié)論如下（可得如下結(jié)論）：

1）在系統(tǒng)設(shè)計上摒棄前者直接用冷水機組控制表冷器進出口水溫的方式，采用兩個保溫水箱實現(xiàn)冷水機組蒸發(fā)器入口水溫的單獨控制，從而實現(xiàn)空調(diào)系統(tǒng)中表冷器的冷量控制。這種方式使表冷器降溫除濕量比較穩(wěn)定，從而使降溫除濕處理后的溫度濕度恒定，便于后面的空氣處理。

2）本系統(tǒng)中的控制方法：采用兩個PID根據(jù)回風分濕度分別對電加熱器和電極加濕器進行單獨控制，再用一個PID根據(jù)表冷器出風溫度對冷卻水流量進行控制，從而實現(xiàn)溫度和濕度的單獨控制。

3）此次系統(tǒng)中的水箱設(shè)計名義上是一個水箱，實際上從中間隔板隔開后為兩個水箱，采用PID精確控制冷水機組入口水溫。相比一個水箱，兩個水箱控制更加理想。

4）整個系統(tǒng)溫濕度非常穩(wěn)定，波動很小。濕度波動在±0.6%以內(nèi)。由于模型的簡化，從CFD模擬結(jié)果與實際測量結(jié)果對比分析，實際溫度波動比模擬值稍大，模擬溫差小于0.2℃，實際最大溫差為0.33℃。