基于热成像法的散热器管路脏堵检测

文 | 陈少敏，董红云，汤腾蛟，何贻春

散热器内部管道较为细小，由于冷却液污染或使用不当，会使散热器细小管道内部管壁发生垢污附着，严重时会发生管路堵塞现象。传统的应用压力测量和流量测量值判断散热器脏堵的方法需要拆装管路，且不能精确定位脏堵位置和类型（垢污附着或堵塞），操作费时费力，给散热器早期检修及预防更换带来困难。根据热力学，绝对温度在0 K以上的物体，都会因物质内部的分子运动而热辐射出红外线，利用热成像仪即可对物体的温度场进行非接触式判断，以此了解物体表面或内部情况。目前，热成像已在军事、工业、汽车辅助驾驶、医学领域以及风电行业电气检修都有广泛应用，但在风电行业散热器检修领域应用极少。本文主要研究不同缺陷物质对散热器温度场的影响原理，分析总结散热器管路脏堵部位的热成像，明确垢污附着和堵塞故障表现的温度变化规律，利用热成像技术进行分析，精确定位散热器的脏堵位置及类型，结合风电领域散热器的不同脏堵严重情况及其处理方式，为散热器检修提供一种非接触式快速散热器管路脏堵判断方法，对提高风电行业散热器检修效率，预防散热器堵塞可行性，确保风电机组散热器可靠性、提升业主发电量具有重要意义。可推广至液冷和液压系统的各个领域的设计、检修环节。

散热器管路脏堵类型

冷却系统一般有水泵、管路、待冷却部件（电机、变流器或柜体等），往往存在铁、铝、甚至铜等金属元素，为原电池反应提供了发生条件；而冷却液加注不当，使油脂类等杂质混入冷却系统，这些都增加了散热器脏堵发生的可能性。根据散热器脏堵的情况，可以分类为污垢附着和堵塞两种情况。

一、垢污附着

早期时，原电池反应及污染的冷却液导致锈垢和油垢在散热器微小管道内部附着，易发生于管路弯头、细管入口等冷却系统的高压侧。发生垢污附着时，散热器散热性能会小幅下降，但因散热设计时留有余量，不影响部件散热，难以引起检修人员的足够重视。对于发生垢污附着的散热器，通过针对性的清洗可以恢复其散热性能。

二、堵塞

随着系统运行时间增加，冷却液污染程度加重，原电池反应加剧，锈垢和油垢聚集，附着部位的管路发生堵塞。此时散热器散热性能大幅下降，冷却液温度升高，无法满足部件的散热要求，进而发生部件过温现象。因散热器管路微小及内部水道并行布置，一般堵塞的散热器难以清洗干净，需要更换散热器。

红外热成像技术原理

根据热力学理论，凡是绝对温度在0 K以上的物体，都会因物质内部的分子运动而热辐射出红外线。而红外热成像仪就是根据物体的这一特性，采用非接触方式探测物体红外能量，并将其转换为电信号，进而在显示器上生成热图像和温度值，并利用相关软件对热图像及温度值进行计算的检测设备。

红外热成像技术的特点：具备320×240及以上的像素，分辨率小于0.1℃，空间分辨率小，探测变化温度的精度高、范围广，具备红外和可见光图像合成功能，全天均可工作。

管路脏堵判断原理

红外线是物质热辐射产生的，其热辐射能量的大小，与物体表面的温度有关。当管道内部为非均质体（或存在缺陷），通过热流时，其反应到管路表面的热辐射能量大小也不一样。不同脏堵类型下散热器管路表面的辐射能量分布见图1—图3所示。

图1 无缺陷物质的热流体管路表面辐射热能量分布图

图2 存在隔热型缺陷物质的热流体管路表面辐射热能量分布图

从图1—图3可知，热流注入是均匀的，对无缺陷的物体，其管路表面的热辐射能量分布基本是均匀的，如果管路内部发生缺陷，在缺陷处热辐射能量分布将发生变化。对于隔热型的缺陷（如锈垢、油垢、泥垢等），其管路表面因热流能量传导减缓导致管路表面发生 “冷点”；而对于导热型的缺陷（如铜等），其管路表面因热流能量传导加快导致管路表面发生“热点”；对于堵塞型缺陷和垢污附着缺陷，由于热流通道的通断，其缺陷处后段热辐射能量分布将发生明显区别：堵塞型缺陷管路缺陷处后段热辐射能量发生一个阶梯性骤减，而垢污附着型缺陷管路因热流仍能通过，其缺陷处后段热辐射能量与缺陷处前段热辐射能量无明显变化。

图4 铝翅片散热器管路构造图

热成像技术在散热器管路脏堵检测中的应用

红外热成像仪就是将物体发出的不可见红外能量转变为可见的热图像，热图像上的不同颜色代表被测物体的不同温度，可以通过热图像的温度分布找出异常温度点，对散热器管路脏堵位置及类型进行判断。

翅片式散热器是气体与液体热交换器中使用最为广泛的一种换热设备，由具体整体构造（见图4）及散热通道剖面图（见图5）可知，其散热器管路水平并排放置，冷却液自左向右流动，相邻的两个管路间设置并排错开的翅片，将管路冷却液吸收的热量散发到空气中，达到换热的目的。而从散热管路解剖图可以看出，管路内部设置并排错开的翅片进行加强换热。

操作方法为用热成像仪正对散热器表面，启动水泵，对散热器进行拍摄，观察3～5分钟，利用热成像图像对散热器管路脏堵进行检测分析，结合散热器脏堵处理经验提出解决措施。

以新能源盘锦某风电场1650kW型3#、14#、4#、11#风电机组的水冷铝翅片散热器为检测对象，用Fluke的锐智TI400热成像仪为检测工具，对热成像技术在散热器管路脏堵检测中的应用进行阐述。

一、正常（无缺陷物质）散热器管路热成像

正常现象：启动水泵时，散热器的温度场从散热器左边散热器进水管的并列水道均匀推向右边散热器回水管，且在5min内全部完成，即散热器温度场均被红色覆盖，各并列水道全部连通。则散热器未被堵塞，散热性能良好。

图像分析：水泵启动后，热的冷却液（红色）逐步从左至右覆盖整个散热器表面，见图6。说明散热器无脏堵情况，散热性能良好。

处理措施：无需处理。

二、垢污附着型缺陷散热器管路热成像

缺陷现象：启动水泵时，散热器的温度场从散热器左边散热器进水管的并列水道均匀推向右边散热器回水管，且在10min内完成，即散热器温度场绝大部分被红色覆盖，只有个别区域存在斑点区域或竖断面区域，斑点区域或竖断面区域为垢污附着位置及附着量的范围大小。

图像分析：水泵启动后，热的冷却液（红色）逐步从左至右覆盖整个散热器表面，但局部区域存在明显的斑点（图中黑框内区域），见图7。说明散热器存在局部垢污附着情况，散热性能较良好。

处理措施：用对散热器无损伤的针对性清洗剂清洗散热器，至散热器管道热成像无局部斑点区域为止。

图5 铝翅片散热器通道剖面图

图6 正常散热器管路热成像图像（3#风电机组散热器）

图8 垢污附着型缺陷散热器管路热成像——竖断面型（4#风电机组散热器）

图7 垢污附着型缺陷散热器管路热成像——斑点型（14#风电机组散热器）

图9 堵塞型缺陷散热器管路热成像——横断面型（11#风电机组散热器）

图像分析：水泵启动后，热的冷却液（红色）逐步从左至右覆盖整个散热器表面，但局部区域存在明显的竖直断面（图中黑框内区域，见图8）。说明散热器存在局部垢污附着情况，散热性能较好。

处理措施：用对散热器无损伤的针对性清洗剂清洗散热器，至散热器管道热成像无局部竖断面区域为止。

三、脏堵型缺陷散热器管路热成像

缺陷现象：启动水泵时，散热器的温度场从散热器左边散热器进水管的并列水道未均匀推向右边散热器回水管，且在5～10min内未完成，即散热器温度场只有部分被红色覆盖，只有个别水道连通，大部分水道阻断，则散热器堵塞。

图像分析：水泵启动10min后，散热器管路只有部分红色区域从左至右覆盖整个散热器表面，部分水平管路只有管路前段呈红色，后段管路颜色变浅甚至为蓝色，形成一个个横断面（见图9）。说明散热器存在管路堵塞情况，散热性能较差。

摄影：张伟

处理措施：用对散热器无损伤的针对性清洗剂清洗散热器，至散热器管道热成像横断面为止。若24h仍无法消除横断面，说明散热器管道堵塞部位无法洗通，需要更换散热器。

结论

本文通过研究不同缺陷物质对散热器温度场的影响原理，分析总结散热器管路脏堵部位的热成像，明确垢污附着和堵塞故障表现的温度变化规律，提出可行性及准确性高的基于热成像法检测散热管路脏堵的方法。此法首先能够提高散热器检修效率，提升服务质量；其次，该方法判断散热器脏堵情况及预防散热器堵塞可行性强，对于确保风电机组散热器可靠性，提升业主发电量具有重要意义。