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(xué)，上海 200240）

0 引言

三坐標(biāo)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(xué)CCD影像測頭、激光測頭，能夠滿足車間檢測需要。三坐標(biāo)測量儀可以對尺寸、定位、幾何、輪廓進(jìn)行精度測量，廣泛應(yīng)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(fù)雜形面的快速掃描檢測。在模具、汽車、航空、軍工、機(jī)械等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。由于三坐標(biāo)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(dǎo)致測量精度失真和不穩(wěn)定。所以，在使用三坐標(biāo)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(biāo)測量儀的恒溫恒濕環(huán)境室的空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)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(dǎo)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(shí)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(shí)驗研究了新型冷凝熱回收式恒溫恒濕空調(diào)機(jī)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(shí)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(jìn)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(jìn)行控制優(yōu)化和熱濕解耦機(jī)理進(jìn)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(diǎn)。目前越來越多的工廠中需要大型環(huán)境室，故本例在實(shí)際工程應(yīng)用中有現(xiàn)實(shí)意義。

1 系統(tǒng)設(shè)計

1.1 系統(tǒng)原理

三坐標(biāo)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(jìn)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(fēng)處理手段，多重PID精確控溫控濕。室內(nèi)空氣通過回風(fēng)管路回到空氣處理初始段與新風(fēng)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(fēng)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(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)輸入功率可以實(shí)現(xiàn)風(fēng)速的控制[8]。三坐標(biāo)環(huán)境室的送風(fēng)溫濕度控制方法是：由PID根據(jù)回風(fēng)溫度和濕度對空氣電加熱、電極加濕器的輸出功率進(jìn)行增量調(diào)節(jié)，從而控制送風(fēng)溫濕度。表冷器中冷卻水流量是由PID根據(jù)表冷器出風(fēng)溫度對流量計的開度進(jìn)行調(diào)節(jié)控制，從而實(shí)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。空氣處理過程中的關(guān)鍵是保證表冷器的降溫性能穩(wěn)定，所以表冷器的進(jìn)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(shí)現(xiàn)水溫控制。風(fēng)冷冷水機(jī)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(jī)組中變頻壓縮機(jī)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(fēng)冷冷水機(jī)組的冷水進(jìn)口溫度。冷水機(jī)組制冷量一定時，可以通過調(diào)節(jié)冷水機(jī)組的進(jìn)口水溫來實(shí)現(xiàn)出口水溫的控制。循環(huán)水從水箱2中經(jīng)過冷水機(jī)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(jìn)入表冷器中吸熱后回到水箱2中實(shí)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。控制系統(tǒng)以PLC為核心，以可視化觸摸屏作為人機(jī)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(jìn)行。控制系統(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(jìn)行自動調(diào)節(jié)。控制系統(tǒng)設(shè)置完備的保護(hù)措施和報警功能，保證系統(tǒng)可靠穩(wěn)定運(yùn)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(dá)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(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計規(guī)范要求的送風(fēng)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(fēng)量方式。

1）冷負(fù)荷計算

環(huán)境室最大冷負(fù)荷主要包括儀器設(shè)備的散熱，房間圍護(hù)結(jié)構(gòu)漏熱，循環(huán)風(fēng)機(jī)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(fēng)的熱負(fù)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(fēng)機(jī)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(hù)結(jié)構(gòu)漏熱量，kW；Q5為降溫過程的熱容量，kW；Q6為新風(fēng)熱負(fù)荷，kW。

其中，庫房圍護(hù)結(jié)構(gòu)漏熱量Q4可按式(2)計算：

式中，K為圍護(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)，W/(m2.K)；A為圍護(hù)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(hù)結(jié)構(gòu)傳熱系數(shù)K按式(3)計算：

α1為圍護(hù)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(hù)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(dǎo)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(fēng)量設(shè)計計算

環(huán)境室的送風(fēng)量要滿足下列三項[10]：

滿足空氣潔凈度等級要求的風(fēng)量：

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB 50073-2013，為保證潔凈度十萬級，房間的換氣系數(shù)應(yīng)該≥15次每小時。

滿足室內(nèi)熱濕負(fù)荷和高精度恒溫要求的風(fēng)量：

室內(nèi)熱負(fù)荷計算風(fēng)量"G" ：

式中：Cp為送風(fēng)氣流的比定壓熱容，kJ/(kg.K)；ρ為送風(fēng)氣流的密度，kg/m3；?t為送風(fēng)溫差，℃；Qr為房間熱負(fù)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(fēng)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(shí)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(fēng)口，從風(fēng)口處理的空氣經(jīng)過穩(wěn)壓箱和孔板進(jìn)行整流后進(jìn)入環(huán)境室。在本例中，回風(fēng)后模型進(jìn)行了一定的簡化，舍去條形回風(fēng)口的物理形狀，而直接將同樣尺寸的面作為回風(fēng)口進(jìn)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(kuò)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(xì)，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(shí)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(biāo)測量室內(nèi)放置的裝置在工作時會產(chǎn)生熱量，且維護(hù)結(jié)構(gòu)存在漏熱等。為考核送風(fēng)方式是否合理，測試室內(nèi)的溫度場、速度場是否均勻，達(dá)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(fēng)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(fēng)格式（SECOND UPWIND）算法進(jìn)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(jìn)行溫度測試。測試條件：風(fēng)機(jī)頻率為50Hz，環(huán)境室保持封閉，盡量減少開門次數(shù)，三坐標(biāo)測量儀和電腦設(shè)備等正常運(yùn)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(diǎn)布置：在距地面1.5m、2.5m以及3.5m處各布置7個測點(diǎn)，一共測量21個溫度點(diǎn)位，測點(diǎn)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(diǎn)布置在2.5m處，7個測點(diǎn)，測試結(jié)果如圖12所示。

圖8 測點(diǎn)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(diǎn)4的溫度值在各層是偏高的，這是因為在測點(diǎn)4處的房間外面有其他散熱設(shè)備，使得測點(diǎn)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(diǎn)7的溫度相比來說較低，這是因為測點(diǎn)7在在房間中央，距離各個散熱設(shè)備都相比較遠(yuǎn)，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(fēng)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(diǎn)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(yùn)行。

由數(shù)據(jù)分析可知，各個測點(diǎn)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(shí)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(jìn)行了簡化，受條形回風(fēng)口等方面的影響，實(shí)際上的溫度波動比模擬的效果差一點(diǎn)。

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(shí)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(shí)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(jī)組控制表冷器進(jìn)出口水溫的方式，采用兩個保溫水箱實(shí)現(xiàn)冷水機(jī)組蒸發(fā)器入口水溫的單獨(dú)控制，從而實(shí)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(fēng)分濕度分別對電加熱器和電極加濕器進(jìn)行單獨(dú)控制，再用一個PID根據(jù)表冷器出風(fēng)溫度對冷卻水流量進(jìn)行控制，從而實(shí)現(xiàn)溫度和濕度的單獨(dú)控制。

3）此次系統(tǒng)中的水箱設(shè)計名義上是一個水箱，實(shí)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(jī)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(shí)際測量結(jié)果對比分析，實(shí)際溫度波動比模擬值稍大，模擬溫差小于0.2℃，實(shí)際最大溫差為0.33℃。