一种采暖散热器热工性能检测水温流量控制系统的开发

2019-05-18张映光卢智涛

制冷 2019年4期

张映光，卢智涛

（1. 广州兰石技术开发有限公司，广州 510000；2. 广东省制冷学会，广州 510080）

1 现状背景

用目前采暖散热器热工性能检测水温及流量控制系统大多采用通过一次加热水箱、高位恒压水箱、二次加热水箱和三次加热水箱，三次加热水箱通过夹层空气调节系统与密闭样品测试室的进水口连接，密闭样品测试室依次经过过滤阀、压力表、手动调节阀、流量计、PID流量控制器、流量测量系统最后回到一次加热水箱继续循环。

以一个散热器热工性能检测为例子，首先需要对配置大功率加热器的一次加热水箱进行快速加热，加热到靠近目标进水温度，通过水泵抽水到高位开放式水箱，然后直到水箱溢水后再流到二次加热水箱，经过二次加热水箱配置的中等功率加热器进行二次加热，最后到三次加热水箱进行最后的微调加热后再把水直接送到被试件（采暖散热器）。采用以上测试设备方案有以下几方面不足：

1. 需要多达4个测试水箱，需占用实验室设备区较大的空间，同时高位水箱由于需实现稳压功能，也需将高位水箱安装在4米以上的高度，这就需要较高的设备区；

2. 测试过程中需要对每个水箱的水温进行逐个的加热，在这个过程中浪费的大量电能的消耗同时需用户为测试系统配置较大的接入电容量；

3. 经过三次加热水箱微调后的高温水直接送入被试件，在这个过程中，由于流经被试件的水流量小，流速低，导致调节滞后，造成工况波动大，稳定时间长；

4. 取样称重时由于管路切换导致流量不稳定。

为了克服设备占用实验室空间大、测试过程中水温控制时间过长、水温控制偏差大、流量不稳、运行能耗高、投入成本高的缺陷，作者对测试系统中的水温及流量控制设备及控制方法进行改造，通过直接在管路进行大流量循环技术代替水箱循环系统，可以减少系统加热时间，同时又能减小水温调节的波动；管路加热器配置大小两组可调功率电加热器可以对不同换热能力的被试件进行温度的精确调节；采用测控分离技术解决小流量、低流速引起的调节滞后问题；系统在工况调节过程中的流量循环与工况稳定后的取样称重过程采用开放式系统，解决由于管路切换过程中因系统压力变化导致的流量不稳问题，通过这些措施达到减少运行能耗和提高测量精度的目的。从试验结果看，采用本系统，散热器热工性能检测试验室的水温及流量控制系统中，测试时间比原来减少达到40%以上。

2 系统介绍

本文开发的采暖散热器热工性能检测水温、流量控制系统的原理图如图1：

图1 系统原理图

其中：1-变频水泵，2-第二电磁阀，3-第一电磁阀，4-散热盘管，5-管路加热器，6-旁通阀，7-控温传感器，8-进水温度传感器，9-被试件，10-出水温度传感器，11-流量计，12-电动二通阀，13-循环电磁阀，14-取样电磁阀，15-开放式集水箱，16-放水电磁阀，17-电子秤，18-低位水箱，19-定位浮子，20-抽水泵，21-高位补水箱，22-补水，23-流量控制仪。

2.1 流量系统回路

1、循环回路：循环回路由变频水泵1、电磁阀3、管路加热器5、被试件9、流量计11、电动二通阀12、循环电磁阀13、低位水箱18、抽水泵20、高位水箱21组成。该回路提供稳定工况需要的水温及流量。

2、取样回路：取样回路由变频水泵1、电磁阀3、管路加热器5、被试件9、流量计11、电动二通阀12、取样电磁阀14、集水箱15、放水电磁阀16、低位水箱18、抽水泵20、高位水箱21组成。该回路在测试工况稳定后提供取样称重工作。

2.2 温度控制回路

温度控制回路由变频水泵1、电磁阀3、电磁阀2、散热盘管4、管路加热器5、旁通阀6组成大流量循环回路；由变频水泵1、电磁阀3、管路加热器5、被试件9、流量计11、电动二通阀12、循环电磁阀13、低位水箱18、抽水泵20、高位水箱21组成测试回路。当系统需要升温时，大流量循环回路由变频水泵1、电磁阀3、管路加热器5、旁通阀6组成；当系统需要降温时，大流量循环回路由变频水泵1、电磁阀2、散热盘管4、管路加热器5、旁通阀6组成。大流量循环回路采用管路大流量循环控制技术，模拟混合水箱，提供稳定、高精度的进水温度。

2.3 稳压稳流系统

稳压系统由流量计11、流量控制仪23、变频器24、变频水泵1、电动二通阀12、循环电磁阀13、低位水箱18、取样电磁阀14、集水箱15组成。该系统可保证在循环回路与取样回路间来回切换，不会因压力的变化导致流量波动，从而影响系统的测试精度。

2.4 回水控制回路

回水控制系统由低位水箱18、定位浮子19、PLC27、抽水泵20、高位补水箱21组成。该系统可以保证由于取样称重需要，在将取样回水送回系统时，不至于造成系统流量及温度的波动。

2.5 控制测量软件

为使检测控制系统能正常地应用，完成测量和控制系统的操作以及子系统的运行共同完成测试被试机的任务，作者专门开发了一套控制及测量软件。软件通过与控制柜、采集模块的通讯，完成系统使用的目的。

图2 控制测量软件界面

3 功能实施说明

本文介绍系统是一种节能型工况调节系统，包括流量调节模块和温度调节模块：

3.1 流量调节模块

流量调节模块包含循环回路调节模块及取样回路调节模块。

循环回路调节模块包括安装在被试件9后端的流量计11、电动二通阀12、与流量计11相连的流量控制仪23、以及与流量控制器相连的变频器24及变频水泵1。在变频水泵1的流量选型上，流量值选所测最大被试件额定流量的4倍以上，以达到模拟混合水箱的目的；

流量计11与流量控制仪23的输入相连接，通过把实际测量到的流量信号传入流量控制仪23，经过与测控软件自动写入流量控制仪23的目标流量值相比较，流量控制仪23通过PID自动演算，在第一路输出信号上输出4-20mA信号到变频器24，变频器24再控制变频水泵1的转速，从而控制水路水流量的大小达到所需要的设定值。

电动二通阀12通过与流量控制仪23的第二路输出转输出相连接，利用流量控制仪23中的目标值转输出功能，将测控软件写入的目标值转化为4-20mA信号，控制电动二通阀12的开度，保证在不同流量时，变频水泵1的输出值在60%-100%之间可调，为温度控制循环回路提供较大的流量，加快温度调节的快速响应及增强温度调节系统的稳定性。

取样回路调节模块由测控软件、循环电磁阀13、取样电磁阀14、放水电磁阀16、集水箱15、低位水箱18、水位浮子19、可编程控制器PLC27、抽水泵20、高位水箱21组成。系统在稳定工况过程中，由测控软件发出指令通过PLC27打开循环电磁阀13，关闭取样电磁阀14，循环水通过循环电磁阀13流入低位水箱18中；当系统工况稳定后需要取样称重时，由测控软件发出指令通过PLC27打开取样电磁阀14，同时关闭循环电磁阀13，系统水流向集水箱15中，在指定时间内完成取样水后，再由测控软件发出指令通过PLC27打开循环电磁阀13，同时关闭取样电磁阀14，切换回循环回路中。通过本方法由于电磁阀切换时的水都是通过大气后再流到集水箱15或低位水箱18中，因此同时切换循环电磁阀13、取样电磁阀14时，不会对系统压力造成大的影响，因此基本不会引起系统流量的波动。

当流经低位水箱18中的水位达到水位浮子19的高限位时，上位浮子信号传入PLC27中，通过PLC27的输出，控制抽水泵20抽水到高位水箱21中；当水位抽到浮子信号的下限位时，通过PLC27停止抽水泵20工作，通过这样的方式来实现水系统的循环过程。

3.2 温度调节模块

温度调节模块包括安装在大流量循环回路中控制温度传感器7、温度控制仪25、调功器26、管路加热器5 控制温度传感器7及进水温度传感器8组成。

控制温度传感器7与温度控制仪25的输入相连接，通过把实际测量到的温度信号传入温度控制仪25，经过与测控软件自动写入温度控制仪25的目标温度值相比较，温度控制仪25通过PID自动演算，输出4-20mA信号到调功器26，调功器26再控制管路加热器5的功率，从而达到控制水温的目的。

根据标准要求，完成一次标准测试需要先进高温度工况，再中温工况，最后低温工况三次测试。在测试过程中，为了减小漏热损失及快速降温，系统设计了管路散热盘管4及相应的控制电磁阀2、电磁阀3。在做第一次高温工况时，关闭电磁阀2及散热盘管4的风机，打开电磁阀3，管路加热器5完成升温调节过程。当高温工况完成后需要快速降温时，关闭电磁阀3及管路加热器5，打开电磁阀2及散热盘管4的风机，达到快速降温的目的；当温度降到需要的工况温度以下时，再关闭电磁阀2及散热盘管4的风机，打开电磁阀3，管路加热器5，完成工况的再次调节过程。

为了对不同容量的被试件9达精确达到控温目的，管路加热器5分为大小不同功率的两组加热器，同时由温度控制仪25自动控制，可以组成只开启一组小功率加热器、只开启一组大功率加热器或两组加热器同时开启3种方式，这样在同一PID输出值的情况下，有不同加热量的输出，对于小容量的被试件9，可以减小PID超调量现象的发生，使温度调节更加精确。分组原则，小组功率为大组功率的一半，大小组总功率和超过最大被试件所需要的热量。

目前常规测试方法中，通常用进水温度传感器8直接控制系统进水温度，由于采暖散热器在测试过程中流量小、流速低、反应滞后，导至工况波动大、稳定时间长问题，为了解决这个问题，系统温度控制采用管路大流量循环技术加测控分离方案。即在管路大流量循环回路中通过大流量循环，加快温度的响应过程，使工况能快速稳定；同时在测试回路中增加进水温度传感器8，传感器8直接安装在被试件9的进水口处，在测试过程中，通过测控软件自动采集、比较进水温度传感器8与温度传感器7的温度差值，再将这个差值自动写入温度控制仪25的偏差值中，使进水温度最终达到所需要的工况值。