板式热交换器板片展开系数测量技术及装置开发

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(1.上海蓝滨石化设备有限责任公司， 上海 201518；2.甘肃蓝科石化高新装备股份有限公司， 甘肃 兰州 730070)

板式热交换器是一种应用广泛的热交换设备，具有高效节能、使用寿命长及结构紧凑等特点[1]。板式热交换器以板片为主要传热元件，板片材料、形状以及尺寸必须满足设计要求。板片通常以0.6～1.2 mm厚的金属板为原材料，经过压制加工成波纹板。在板片的加工过程中，必须严格控制波纹板的结构参数。波纹板结构参数主要包括波纹倾角、波纹节距、展开系数、波纹深度及波纹夹角等，这些参数的控制需要采用适当的测量方法和测量工具。

文中介绍了一种综合利用激光技术和计算机数据处理技术开发的新型板式热交换器板片参数自动测量装置[2-4]，并针对展开系数的测量及测量误差进行说明。

1 板式热交换器板片测量技术现状

板式热交换器结构参数测量方法的研究早在20世纪60年代就已经开始，目前也取得了较为明显的进步。但是板片参数的测量却一直停留在人工测量阶段，未见有专业自动化测量装置用于工业测量的应用报道。

常见的手动测量方式主要有2种。文献[4]介绍了一种利用靠尺和修正带机构完成的板片展开系数φ的测量方式。此方法通过使胶带与板式热交换器的波纹板面紧密接触，直接测量板式热交换器板片曲面表面长度，得出节距间表面长度T0，用靠尺测量波纹板片节距T，应用公式φ=T0/T计算展开系数[5]。

还有一种以半径规为主要工具的测量方式。用半径规分别测内、外圆弧近似半径，用直尺或游标卡尺测量板片相邻波纹的截距，用近似圆弧长度除以截距计算展开系数。由于半径读数是不连续的，这种方法对于不是半径规标准半径的圆弧不能精确测量，一般情况下要用试测法进行检验。这种方法只能测量波峰、波谷均为圆弧状的波纹，对梯形等其他形式波纹也不适用。

2 新型板式热交换器板片参数测量装置

2.1 测量装置结构

新型板式热交换器板片参数测量装置系统构成见图1。

图1 新型板式热交换器板片参数测量装置系统构成示图

该系统的核心测量元件激光扫描传感器是一种光学距离传感器，利用光学三角法基本原理，将激光点投射到金属板片上，传感器通过高发散性的电荷耦合器(Charge Coupled Device，CCD)图像传感器阵列作用测量反射回来激光的反射角，确定距离并测量出位移。激光位移传感器输出的4～20 mA信号通过RS232串口传输至工控机[6-7]。该测量元件以精密直线导轨为测量元件的运动载体，以便携式工控机作为数据处理中心，可为板式热交换器板片参数提供简单、高效、高精度的测量方式。

这种测量装置最大的特点是激光技术的应用。激光是20世纪60年代出现的重大科技成就之一[8]。激光扫描是一种非接触式测量技术，与以接触式为特征的传统手动测量技术相比，非接触式检测技术可以避开被测元件，实现对复杂零部件的无损伤扫描与检测[9-10]。

2.2 主要技术参数[11]

新型板式热交换器板片参数测量装置可用于波纹倾角、波纹节距、展开系数、波纹深度及波纹夹角的测量，激光器测量精度5 μm、扫描速度10 kHz、线性度3 μm、分辨率1 μm，光栅尺位移传感器测量精度5 μm。

3 手动测量原理与激光测量原理对比

3.1 手动测量方式

利用靠尺和修正带机构手动测量板片的展开系数操作示意见图2。

图2 人工手动测量板片展开系数装置示图

手动测量板片的展开系数主要分5个步骤进行，①将靠尺置于板式热交换器板片波纹的垂直线方向。②将放置好的带有刻度的胶带放到修正带中。③将修正带机构紧贴靠尺，在板片上滑动。④利用带刻度胶带测得节距间曲线长度T0，利用靠尺测得节距长度T。⑤应用公式φ=T0/T计算展开系数测量值φ。

3.2 激光测量方式

新型板式热交换器板片展开系数测量装置示意见图3。

这种装置将测量与光波直接相联，在不接触被测板片的情况下，利用激光扫描传感器，通过伺服系统控制激光器走位，将数据传输到工控机中的专业计算机软件进行处理，最后得到展开系数计算值，很容易做到光电转换，实现测量数据的自动分析与处理，获得高精度测量结果[12-15]。

图3 新型板式热交换器板片展开系数测量装置示图

新型板式热交换器板片展开系数测量装置中应用了专门开发的数据处理软件。此软件将激光扫描的节距之间的曲线轨迹进行N等分，在获得的每个小条形区域内，用直线段代替曲线段，最后对其求和并以和值为曲线段的近似长度。测得曲线长度为L，节距长度为L′，通过自动计算得出展开系数φ=L′/L，测量算法使用的曲线轨迹和计算模型见图4。

图4 板片展开示系数测量算法示图

L的具体算法如下。

(1)

b=Δz

(2)

(3)

Li=c

(4)

(5)

式(1)～式(5)中，Δx为x轴方向激光器所走直线距离差,Δy为y轴方向激光器所走直线距离差,Δz为z轴方向激光器的采集深度数据差值，a、b、c分别为图4中直角三角形计算模型中的2个直边和斜边的边长，mm；n为激光器采集数据的个数(由激光器采样频率和滑轨运动速度决定)。

4 板片展开系数测试结果与误差分析

采用标准块进行新型板式热交换器板片展开系数测量装置的标定。标准块展开系数的设计值为1.182 2，手动和自动2种测量方式的对比试验部分测量数据见表1。

表1 板片展开系数标定和试验测量数据部分

试验编组手动测量值自动测量值第1组1.1841.182 2第2组1.1851.182 1第3组1.1861.182 1第4组1.1821.182 2第5组1.1811.182 1第6组1.1821.182 0第7组1.1821.182 2第8组1.1811.182 2第9组1.1841.182 2第10组1.1811.182 1

从表1可以知道，手动测量的10组数据误差较大，每次测量的结果都不相同，而自动测量的10组数据误差较小，能够将数据精确至小数点后第4位。激光扫描测量装置板片展开系数的测量误差整体上约为0.000 2[16]。

5 结语

新型板片展开系数测量装置是热交换器板片测量技术的创新和进步，解决了人工测量误差大、耗时长、胶带及靠尺有可能破坏板片以及半径规无法测量梯形波等其他波形等问题，实现了无接触、自动测量和数据自动处理。该装置已在工厂投用，效果良好。