换热器性能试验测控系统_玄哲浩

文章编号:1671-5497(2003)01-0053-03
收稿日期:2002-03-12作者简介:玄哲浩(1954-),男,吉林磐石人,吉林大学高级工程师。

换热器性能试验测控系统
玄哲浩,程　山
金,崔淑琴
(吉林大学汽车工程学院,吉林长春　130025)摘　要:换热器性能试验测控系统能自动完成数据的实时采集、过程控制、数据处理、归档、日
志及报表的打印等全部工作。

并针对受多变量影响的换热器流量和薄壁换热器流量的变化所
产生的交互影响,对换热器性能试验采用了无需对象数学模型自适应能力的控制方法。

关键词:换热器;性能试验;控制系统
中图分类号:TK323 文献标识码:A
Control Unit for Heat Exchanger Performance Test S ystem
XU AN Zhe -hao ,CHENG Ying ,CUI Shi -qin
(College of Automobile Engineering ,Jilin University ,Changchun 130025,China )
A bstract :Control unit fo r heat exchanger performance test sy stem w as developed w hich controls automati -cally real -time data acquisition ,course of process ,data processing ,pigeonholing and file printing .Aiming at interaction of heat exchanger multivariables ,the adaptive centrol w ithout object mathematic model is used .Key words :heat exchanger ;performance ex periment ;control sy stem
换热器性能试验广泛采用的方法是等雷诺数法[1]及威尔逊分离系数法[2]。

应用这些方法得到的测量数据均是在不同的冷、热流体流量、不同的冷、热流体进出口处温度和压力下测取的,并据此数据进行数学分析得出换热器的传热特性与阻力特性。

传统的流量调节方法是通过改变分流管阀门开度的大小来调节流量,采用变频器后只通过改变输出频率来精确控制泵或风机的转速即可。

泵或风机的实际流量与流通截面积、流体的粘度、管路的布置及转速等诸多因素有关。

多种变量的影响对流量的精确控制提出更高的要求。

对于薄壁的板式换热器,由于冷、热侧的流量不同或压力波的影响,使板片产生弹性变形,则两侧流量发生变化并相互影响,因此在测试工况较多时无法建立精确的控制函数,而智能控制为解决这类复杂问题提供了有效的方法。

目前,换热器性能试验台的测试手段和控制方法比较落后,人工试验任务繁重、试验数据精度有限、难以准确检验换热器的性能。

为此,我们研制开发了具有计算机自动控制、控制方法简便、测量数据精度较高的换热器性能试验测控系统。

1　试验系统模式
1.1　系统结构
本系统由两部分组成:一部分是由冷、热水箱及换热器所组成的现场流程;另一部分是由现场检测第33卷　第1期
吉林大学学报(工学版)　Vol .33　No .12003年1月Journal of Jilin University (Engineering and T echnology Edition )　Jan .2003DOI :10.13229/j .cn ki .jd xb gxb2003.01.012
图1　换热器性能试验测控系统示意图
Fig .1　T he control and processing of heat exchanger performance test system
与控制所组成的测控系统(见图1)。

冷、热水箱及换热器所组成的现场流程部分中,冷、热水箱用来贮存冷、热循环水。

热水箱的电加热器由温度调节器进行控制,使热水箱内水温保持某一恒定的试验温度。

空气冷却器将冷水吸收的热量传给空气,确保换热器冷水侧进口温度恒定。

待测的换热器与冷、热水循环管路间用软管联接。

现场检测及控制部分的温度、压力及流量测点都配有传感器及变送器,其产生的电信号传递到控制柜上的显示仪表。

显示仪表与计算机并联可通过计算机自动进行信号采集与控制,也可以用人工操作的方法进行试验。

用计算机自动工况试验时,可以进行数据对比及试验调节。

控制柜提供漏电保护,变频器输出与计算机并联的数据显示及相关的保护措施。

计算机配有PCI 插口的A /D 、D /A 转换器及相关接口,用以检测输入信号及输出控制信号。

传感器输出的电信号经I /V 板转换后送入A /D 卡,由计算机采集。

软件在Window s98.x /N T 平台下,采用VC ++语言编写。

软件分为实时检测层、数据存储传输层及管理层。

实时检测层作为软件的直接底层,主要进行现场数据的检测、控制参数发送等与现场进行接口的工作及数据的临时存储、数据转换等前期处理工作。

数据存储传输层可将数据存储在数据库中进行数据归档、转发工作,具有传输、存储数据及联接实时检测层与管理层的作用。

管理层是软件的最高层,主要完成启动与关闭试验、提取数据库中的数据进行数据处理、数据的动态显示、生成报表、打印、控制参数的计算与传输等工作。

1.2　系统功能
本系统的功能主要包括:工作流程中实时采集运行参数;自动控制热水泵与冷水泵;智能控制流量;显示实时数据及动态趋势曲线;用数据库保存实时数据及查看历史数据库;打印研究参数、报表及日志。

通过工作台流程及系统运行显示可对控制模式及换热器型式进行在线修改和调整。

通过对采集数据的处理和分析可整理出传热及阻力特性方程。

1.3　技术特点
(1)先进的流量控制[3]系统
系统中冷、热水循环的流量受多变量的影响和薄壁换热器流量变化的交互影响,因此无法建立精确的控制模型。

本系统中采用了无需对象数学模型自适应能力的智能控制方法,达到了准确控制冷、热水
54吉林大学学报(工学版)第33卷
图2　软件层次结构Fig .
2　Configuration of soft ware arrangement 流量的目的。

(2)数据传递的三层结构
本系统采用先进的软件编程方法,使高层管理与低层硬件访问不直接进
行数据传递,以避免造成数据或操作矛盾,导致程序错误动作而出现无效数
据。

图2为软件层次结构图。

(3)丰富的人机界面
操作人员需要与丰富的界面进行交流,以便能充分了解试验原理、参数变
化、系统变化趋势及试验数据的采集处理情况。

以往由于计算机屏幕空间较
小,多窗口同时运行造成空间过小,操作者看不清界面。

重复的开关窗口会使
操作不方便、系统资源浪费。

不能同时呈现试验台的多种信息,造成操作者思
维中断或不清晰。

本系统开发的新标签窗口,可以多个窗口同时运行,且处理
简单方便。

(4)灵活多样的操作方式
本系统可在计算机自动控制下按人工操作方法进行试验,也可以在在线的形式下按控制模式调整或手动调节方式试验。

操作形式多样而简单,可多
个界面同时向操作者展示试验信息。

2　试验应用分析
换热器性能试验测控系统自2000年开发研制,已在吉林大学热能实验室投入使用,按照国家机械工业委员会通用机械局企业标准,系统热平衡误差设计值应小于5%,传热系数测试误差设计值应小于10%。

为了保证设计要求,系统中测温、测压、测流量传感器全部采用了精度较高的元件(如0.1级的Pt 100铂电阻温度计、0.5级的涡轮流量计),使温度、压力及流量的测量误差控制在1%以内。

系统运行时,测试的热平衡误差控制在4%以内、传热系数测试误差在8%以内时方能进行数据采集。

通过对四平吉利换热器厂的BR0.05型板式、G400型管壳式换热器的实际测试表明,系统除了必要的预热运行及标准规定的每个测定工况稳定运行30min 以外,可在几分钟内完成流量的稳定调节、数据采集、归档及处理等工作,实现了在较短的时间内完成全部14组数据的测量、整理及报表输出工作。

3　结　论
(1)本系统解决了换热器性能试验过程中,数据记录任务繁重、试验时间长、数据存储及数据处理繁琐的问题。

(2)对于多变量影响的换热器流量变化及薄壁换热器流量变化交互影响下的流量控制问题,宜采用具有无需对象数学模型自适应能力的控制方法。

参考文献:
[1]　欧阳新萍,陶乐仁.等雷诺数法在板式换热器传热试验中的应用[J ].热能动力工程,1998,13(3):118～130.
[2]　Brig gs D E ,Young E H .M odified wilson plo t techniques fo r abtaining heat transfer correlations for shell and tubehea t ex -
changers [J ].Che .Eng .,1969,65(9):.
[3]　张法文.热工过程控制系统分析、设计和调试[M ].北京:中国电力出版社,1997.55
第1期
玄哲浩等:换热器性能试验测控系统。