摘 要：作者受国内一研究单位的委托，设计并开发一套用于金星环境模拟热控实验研究的实验装置，装置以涡流管制冷技术研究为目标，通过此装置，研究人员能够改变可能影响涡流管制冷能力的各项参数，得到合适的试验数据，做出分析。涡流管是结构非常简单的一种能量分离装置，它能够以压力差为动力源产生冷热分离，是金星极端高温环境下极具应用前景的一项技术。金星环境模拟热控实验装置是以涡流管为试验对象的综合测试平台，能够对影响涡流管性能的各项参数进行试验测试。基于试验平台的综合测试结果，能够进一步开展涡流管制冷原理和性能的研究，为我国未来的金星着陆探测奠定基础。基于此，作者选择市场上现有的、成熟的、可靠的、合适的元器件，按照试验台需求的基本原理进行组合，达到一个整体的试验台效果。控制部分作者选用可编程控制器（PLC中）作为主控单元，再按需求选用多种传感器、数据采集卡来进行数据采集，将实验中所需要的压力、流量和温度数据汇集起来得出实验所需要的数据。
关键词：金星环境模拟；涡流管；试验台
1.前言
1.1 涡流管试验台设计的起因
涡流管是结构非常简单的一种能量分离装置，它能够以压力差为动力源产生冷热分离，是金星极端高温环境下极具应用前景的一项技术。研究单位需要一套用于金星环境模拟热控实验研究的实验装置，装置以涡流管制冷技术研究为目标，能够对影响涡流管制冷能力的各项参数开展试验测试的综合测试平台，能够对影响涡流管性能的各项参数进行试验测试。基于试验平台的综合测试结果，能够进一步开展涡流管制冷原理和性能的研究，为后人未来对金星着陆探测奠定基础。
1.2 涡流管试验台设计的理念
试验平台的组成原理图如图1所示（图1中各符号沿用的是国际标准规定的元器件符号），试验平台主要由气源、气源调节处理系统和数据测量采集系统几部分组成。其中，气源直接选择高压空压机产生的压缩空气。气源调节处理系统选用储气罐作为缓冲和稳定气源压力，在储气罐出口处配备两级空气过滤器将空压机输出的气体进行过滤，再在过滤器后面配备上冷冻式干燥机，再后面连接上调压阀和过滤保护装置等等，最终得到试验中所需要的多种压力气体流向涡流管进口，高压气体在涡流管内急剧膨胀，从涡流管冷热两端分离出冷热两股气流排出[2]。数据测量采集系统是这试验台中特别重要的一环，这试验主要就是根据改变各种原始参数，通过不同的涡流管后得到不同温度、压力的气体，数据有压力、温度、湿度、流量等，相对应的就要不同的传感器来感应，后面再配上信号采集卡、工控机及实时数据采集软件完成所有数据采集、汇总、分析。
1.3 涡流管研究的历史背景
上世纪三十年代就出现了涡流管，当时法国一个叫G．J，Ranque的冶金工程师在工作过程中发现了旋风分离器中气流的中心温度和周边各层的温度是完全不同的，越靠近气流中心，气体的温度越低。后人为纪念Ranque先生发现的这一现象，就把它称为Ranque效应。Ranque为验证这一现象，他专门设计了一套装置来研究这种效应，通过研究他于1931年发表了一篇有关涡流管的论文，并于后面两年分别在法国和美国申请了涡流管制冷装置的专利。他在专利申请书中展示了同向流动型和逆向流动型两种类型的结构和几个简单切向入口的喷嘴及各种螺旋型喷嘴。不过他研究出来的涡流管的效率很低，令人失望。直到1945年7月，美国一组科学家到德国Erlangen大学学术交流时又发现了涡流管。Erlangen大学的一名叫R．Hilsch的物理学家对涡流管进行了系统的研究，做了大量工作，确定了最佳比例的涡流管各部件几何尺寸。其中孔板应尽可能接近喷嘴、孔口直径必须控制在一定的范围内、尽可能采用螺旋型的涡流室等等都是他的研究成果。在Hilsch先生之后，有越来越多的科学家致力于涡流管制冷性能的研究，但到目前为止没有一个得到比Hilsch更好的结果[1]。
上世纪50年代末60年代初，我国有许多单位开展涡流管的研究工作，但在后来基本都停顿下来。本世纪有个别研究院及大学教授带着学生也发表很少的一些论文，其中就有吴玉庭教授等人在涡流管性能上做了些研究，他带着学生发表了几篇论文，给后期有想法研究涡流管的学者提供了这方面的资料[2]。专门为研究这项目提供的试验台目前国内外还没有哪个生产厂家或研究单位专门去研发。
1.4 涡流管试验台设计过程中需注意的问题
涡流管试验平台的研发是在摸索中前进的。研发这一试验平台时，受着时间、人员、场地、环境等等多方面的制约，导致这试验平台的研制，除了符合国家规定的电器设备的通用标准外必须遵循以下几个特殊原则：①实验室是临时实验室，平台以后极有可能需搬动，平台需要拆卸、安装方便；②动力供电总容量受限，不能超过15KW的范围，平台试验过程中需有保护措施，但在以后供电总容量扩展后，需能增加测试范围；③临时实验室空间位置有限，平台布置必须紧凑、合理，没有太大的空间够用；④测试平台测试范围必须广，尽可能兼顾到多种涡流管，预留多接口，方便扩展；⑤操作力求方便，数据处理科学，报告输出；⑥试验平台要方便运输，拆卸后单个单元体积不宜过大；⑦备件尽量国产化，方便维修；⑧总体研制时间有限，尽量模块化，压缩研发周期。
2.涡流管试验台的总体设计规划
2.1 试验平台的主要组成部分
2.1.1 试验平台的支撑部分
试验台的支撑架是其重要组成部分，试验台台面是放置和固定涡流管的地方，对涡流管的夹持要灵活多样，固定涡流管的夹具拆卸要方便，使得每次做试验时前期准备工作操作简单。试验台面高度设计到1米，试验人员站立状态正好能舒服地安装操作。支撑架内部有有高800厘米、宽600厘米、深400厘米的空间正好可以放置电气元件。
2.1.2 试验平台的气源部分
作者在初始试验中研究发现：进口压力、湿度、 流量的改变在常温下对涡流管的制冷性能没有显著的影响；如果要提高温度，即让管内气体的膨胀比增加，再改变进口压力、湿度或流量，涡流管制冷性能的影响会变得越来越显著。涡流管制冷能力与进入涡流管前端口的气流压力、湿度、 流量紧密相连，气源的选择犹关重要，压缩空气、氮气、二氧化碳成为首选，涡流管试验台不管它的外表和其他方面做得再怎么好，在没有气源的前提下都没有任何意义。
2.1.3 试验平台的气源控温部分
如2.1.2所述：涡流管的制冷性能随着进口气体温度的变化有特别大的变化，本涡流管试验平台增加源气体控温装置，控温装置旁边自带旁路，设计多个手动通断安全阀备用。
2.1.4 试验平台的管路连接部分
涡流管试验平台温度、压力、密封性要求高，耐温、耐压范围宽，这是一个技术难点，也是一个关键点。实验能否取得理想的实验结果不仅仅要求管路材料及连接头的选择恰当，还要求各器件的精密。作者选用不锈钢卡套螺纹连接，密封元件都是耐高温、耐腐蚀的聚氟乙烯。如果把整台设备比做一个人体，管路连接部分就是相当于试验平台在实验过程的人体肠道。
2.1.5 试验平台的传感器部分
在试验台进行试验的时候，涡流管进口、冷热两出口及管路当中的实时压力、温度、湿度及流量都需要采集，作者选用大量的传感元件来传递第一手数据。
2.1.6 试验平台的人机界面及数据处理部分
涡流管试验平台进行试验的时候，需要对整个试验台的操作，各个部位实时数据的监控及其处理，都需要人机界面来完成。
2.1.7 试验平台的控制部分
如2.1.4所述，把整台设备比做一个人体，试验平台的控制部分就是人的大脑，检测部分相当于人的眼睛。在实验的过程中，靠人们自身的判断，只能看到表象，不可能做到很精准，关键数据还是要通过相应的实验元件来感知、采集，以便及时的判断实验条件是否符合以及得到实验数据的最终结果。还是在实验的过程中，试验台想实现目标，必须得靠控制部分来完成。
2.2 试验台各部分的相关元件的分析和选择
2.2.1 试验台的支撑部分相关元件的分析和选择
本试验台在设计中，考虑到空压机、储气罐、干燥机及加热器体积大，可能得拆卸搬运，他们必须单独放置，中间由管路连接。试验件重量不超过3kg，长度不超200mm，决定了台面不宜过大，也不需要多大的承重力，选材可以考虑轻质化。作者考虑到试验中操作方便，台面不能太低，这样台面下面的空间正好用来放置控制部分的元器件，四周用不锈钢封闭，前面做两扇可开合的门，外形也美观。作者选择耐磨、牢固的夹持夹具，在实验的过程中有一定的承受能力���控制元件的分布均匀、布局紧凑。另外作者在设计时从材料的数量少量化、试验台体积小形化、低成本等要素考虑，选择的试验台支撑架材料为：铝合金框架、环氧板台面、不锈钢封板和不锈钢夹持夹具。
2.2.2 试验平台的气源部分相关元件的分析和选择
本试验台的气源是试验源动力的关键，由空压机、减压阀、过滤器、储气罐及干燥机等部分组成。空压机要求排气压力必须大于或等于1.0MPa，供电源为380V/50Hz，供电功率不能超过10kW，空压机排气量大于0.8m³/min，噪音在65dB(A)内；储气罐可存储介质为空气、二氧化碳及氮气，容积不得大于0.6m³，耐压大于1.3MPa，材质为Q345R/SUS304；干燥机气体处理量需大于1.5m³/min，压力露点在2-10 度的范围内，供电电源为220V/50HZ，入口温度不得小于65 度。根据这些参数，作者选择了曼伯型号是ML 7.5A-V的单级永磁变频风冷空压机，型号是C-1M3/13kg 带有中国平安保险立式容积为1000L不锈钢储气罐，储气罐上装有压力表、安全阀和排水阀，型号是JY-20AC松下冷媒压缩机的风冷干燥机。
2.2.3 试验平台的气源控温部分相关元件的分析和选择
本试验台的进气气源温度要求20℃~80℃，控温元件体积不宜过大，作者选用加热管材质为304，内筒材质为304不锈钢，加热丝材质为Cr20Ni80，型号BLH-JRQ-5KW的卧式管道电加热器，此加热系统电源电压为三相380V/50HZ，加热功率为5KW，98％的热效率，加热介质为空气，1.6Mpa的设计压力，空气流量为30m³/h，内筒尺寸直径为150*700(mm)，加热管壁厚为1.0mm，用电工级氧化镁粉作为绝缘填充物，用硅酸铝保温棉作为保温层材质，它具有PID自整定智能控制，具备超温报警、超温保护、防干烧等功能。
2.2.4 试验平台的管路连接部分相关元件的分析和选择
本试验台管路连接设计的重要性不言而喻，试验过程中，管内气体温差大、压力高、密封性要好。作者通过模拟分析管道应力分布变化来设计管道及连接头的选材、连接方式、管道及连接头的尺寸、管道的空间走向、管道的约束方式等等。依据ANSI/ASMB31.3--1996的规范，如果管道在内部有介质产生荷载时能安全运行，就必须确保内压产生的一次应力，内压和内外荷载产生的一次应力中的轴向应力之和，温度和管道端点位移等产生的轴向应力和剪切力的合成二次应力，这三大应力都不能超过管道运行时材料的许用应力[3]。作者选用壁厚2mm、内径10mm的不锈钢通管，所有连接头采用法兰连接。
2.2.5 试验平台的传感器部分相关元件的分析和选择
涡流管试验平台注重的是温度、压力、湿度、流量等数据的实时采集，只有得到大量的数据才能做更好、更实际的分析。在试验过程中，所有的实验过程和结果都不能用眼睛直接观察到，必须用相应的是实验元件去检测在试验过程中的数据，以及在整个过程中的实验的是否异常。涡流管试验平台的检测部分要分为四个部分：第一部分为检测试验过程中气体压力，作者选用压力传感器；第二部分检测试验过程中的气体湿度，作者选用湿度传感器；第三部分检测试验过程中的气体温度，作者选用温度传感器；第四部分是检测管道中气体流量的大小，作者选用流量传感器。所有传感器和管道内气体都直接接触，这就决定了选用的传感器必须要适合一定的压力和温度。作者选用的传感器如下：涡流管出口处选用2只HMT -40~180℃温湿度传感器，管道中选用2只PT100温度传感器，1只测量范围为0~2.5MPa的压力传感器，4只精度为± 1%的M系列气体流量计。其中MPM4530 型高温压力变送器选用耐高温压力传感器作为信号测量元件，其中高精度的信号处理电路及元器件都密封在不锈钢壳体内，被测介质压力经过变送器上的散热结构传递到传感器上，通过里面的电路部分将传感器输出信号转换为标准输出0~5V的电压信号输出。
2.2.6 试验平台的人机界面及数据处理部分相关元件的分析和选择
所有设备中，操作人员和设备之间都是通过用户界面或使用者界面来传递、交换信息的，这个界面就是通常所说的人机界面，英文全称是Human Machine Interaction，简称HMI，涡流管试验平台也如此，人机界面也是涡流管试验平台的重要组成部分[4]。本涡流管试验台上，人机界面上面的指令简单的区分为“输入”（Input）与“输出”（Output）两种，输入指的是由人来对试验台的操作，各种指令（命令）的下达或保养维护等，而输出指的是由试验台自身的以及收集到的各类数据、故障、警告、操作说明提示等，人机界面会帮助试验人员更简单、更正确、更迅速的操作试验台。作者选择西门子TP1200精智面板12寸触摸屏，型号为6AV2124-0MC01-0AX0。
2.2.7 试验平台的控制部分相关元件的分析和选择
涡流管试验平台的控制部分主要由PLC主机模块、控制模块组成，作者选用的元件是：（1）三菱型号为FX1S-20MR作为PLC主机模块，8路0~+5V电压量、16路继电器开关量输入和8路继电器开关量输出。（2）明纬DR-360-24V5A电源模块，欧姆龙G2RL功率继电器模块，欧姆龙G4A控制按钮模块等等。具体如下表1所示：
3.涡流管试验台的具体设计
本设计方案设计的涡流管试验平台是非标准化且是专一性的，作者还处在摸索中，没有根据某个特定的涡流管进行定性，在试验过程中，可以按照被试验的涡流管更改夹具夹持方式，调节流入气源的温度、压力及流量，特殊情况特殊对待。根据可操作性可以适当的改变各部分元件的布局位置。
3.1 组成部件布局
3.1.1 总体布局
涡流管试验平台的总体布局如图2所示，考虑到紧凑、可拆卸、方便接线，作者设计将空压机和装有控制部分的操作台并排放在前面，干燥机和加热器叠加在一起，它们又和储气罐并排放在后面。
3.1.2 气源布局
涡流管试验平台的气源布局要考虑到高压气体的安全性，排部连接管路要合理。如图3所示的气源布局原理图。
3.1.3 控制元件布局
涡流管试验平台的控制元件威澳门尼斯人官网欢迎您根据操作台下面空间的大小设计成三层布局，如图4所示，这样布局美观，检修方便。
3.1.4 人机界面布局
涡流管试验平台的人机界面威澳门尼斯人官网欢迎您采用可旋转悬挂式安装，如图5所示。
3.1.5 操作台面布局
涡流管试验平台的操作平台平时在试验时操作最频繁，根据人体结构设计，一定要方便操作，高度要适宜，夹具更换要方便。如图6所示。
3.2 控制程序设计
3.2.1 总体结构
试验台的控制程序由主控模块、环境温湿度测量模块、温度测量模块、压力测模块、气源压力测量压力模块、流量测量模块、测量与运行模块和数据导出（U盘）模块量模块等几部分组成，各部分彼此独立又相互联系，和控制元器件组成个统一的试验台控制系统。如图7所示。
3.2.2 串口通讯
试验台的各个模块与主控制器（PLC）采用串行连接，采用标准的MODBUS协议。由于各种模块的通讯格式不同，采用同性质的模块连接起来，通过修改模块地址来实现的。本系统分为四种模块，即环境温湿度采样模块，流量测量模块，压力测量模块，温度测量模块。
3.2.3 数据采集与程序
试验台的数据采集框图如下图8所示：
图8 数据采集框图
试验台的数据采集程序如下[5]：
$200 = ({Link1}1@W40001) /*读涡流管进口温度*/
({Link2}1@D200) = $200
$210 = ({Link1}2@W40001) /*读涡流管热端温度*/
({Link2}1@D210) = $210
$220 = ({Link1}3@W40001) /*读涡流管热端温度*/
({Link2}1@D220) = $220
$230 = ({Link1}6@W40001) /*读第一路实验室环境温湿度*/
({Link2}1@D230) = $230
$235 = ({Link1}6@W40002)
({Link2}1@D235) = $235
$240 = ({Link1}7@W40001) /*读第二路实验室环境温湿度*/
({Link2}1@D240) = $240
$245 = ({Link1}7@W40002)
({Link2}1@D245) = $245
$302 = ({Link3}1@W40001) (DW) /*读进气源压力*/
$300 = $303
$301 = $302
({Link2}1@D300) = $300 (DW)
$312 = ({Link3}2@W40001) (DW) /*读涡流管进气端压力*/
$310 = $313
$311 = $312
({Link2}1@D310) = $310 (DW)
$322 = ({Link3}3@W40001) (DW) /*读涡流管热端压力*/
$320 = $323
$321 = $322
({Link2}1@D320) = $320 (DW)
$332 = ({Link3}4@W40001) (DW) /*读涡流管冷端压力*/
$330 = $333
$331 = $332
({Link2}1@D330) = $330 (DW)
$402 = ({Link4}1@W40059) (DW) /*读涡流管热端流量（大量程）*/
$400 = $403
({Link2}1@D400) = $400 (DW)
$412 = ({Link4}2@W40059) (DW) /*读涡流管热端流量（小量程）*/
$410 = $413
$411 = $412
({Link2}1@D410) = $410 (DW)
$422 = ({Link4}3@W40059) (DW) /*读涡流管冷端流量（大量程）*/
$420 = $423
$421 = $422
({Link2}1@D420) = $420 (DW)
$432 = ({Link4}4@W40059) (DW) /*读涡流管冷端流量（小量程）*/
$430 = $433
$431 = $432
({Link2}1@D430) = $430 (DW)
end
4.总结
作者经过两个多月的时间的设计，本课题——涡流管试验台设计总体设计及其说明书的编写完成。虽然不是很复杂，但通过这一设计及其计算，肯定还存在许多不足之处。在各种试验台元件的选择上，整个系统设计要同试验台的总体设计同时进行。2023年10月上旬，一台结构简单、工作可靠、成本低、效率高、操作简单、维修方便的涡流管试验台顺利通过委托单位各部门的验收标志着本课题设计完美结束。
参考文献：
[1] 周少伟，姜任秋，张鹏，宋福元，王朋涛，陈跃进，涡流管实验研究进展，化工发展，2006年第25卷增刊.
[2] 刘加水，公茂琼，张宇，洪辉，吴剑峰，涡流管在传统制冷系统中的应用分析，工业自动化，2008年2期.
[3] 邹梅芳，论压力管道应力分析的内容与特点，冶金动力，2014年第8期，总第174期.
[4] 刘丽娟，交互设计在人机界面设计中的应用，金锄头文库，2021-12-04.
[5] 何立民，MS-51系列单片机应用系统设计。北京航空航天大学出版社，2001.
