板翅式換熱器翅片表面流動特性測試系統(tǒng)

徐 丁,王 劍,姜周曙,黃國輝,江愛朋

(杭州電子科技大學自動化研究所,浙江杭州310018)

0 引 言

板翅換熱器是一種傳熱效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、輕巧而堅固的換熱設備,已在石油化工、航空航天、能源動力等領(lǐng)域得到廣泛應用,并在利用熱能、回收余熱以及一些特殊用途上取得了顯著的經(jīng)濟效益[1]。翅片是板翅式換熱器中的核心部分,翅片加工質(zhì)量的好壞直接影響板翅式換熱器的換熱和流動性能。文獻2、3對132種緊湊式翅片表面的傳熱和阻力特性進行了較系統(tǒng)的實驗研究。文獻4搭建了板翅式換熱器表面性能測試實驗臺,測試了翅片的表面?zhèn)鳠崽匦院土鲃犹匦?得出j～Re和f～Re的關(guān)系曲線。雖然國內(nèi)外對翅片各種特性做了大量研究,但目前國內(nèi)仍缺乏一套能準確檢測翅片表面流動特性的完備系統(tǒng)。本研究擬設計一套檢測翅片表面流動特性的試驗系統(tǒng),通過測量翅片的f～Re關(guān)系曲線來判定翅片質(zhì)量,對翅片性能做出更精確的評價。

1 檢測原理

檢測翅片表面流動特性的原理為：測量空氣流過翅片的壓降、流量和翅片前后溫度,計算出空氣雷諾數(shù)Re和摩擦因子f,利用計算機繪制f～Re的關(guān)系曲線。對于同一型號的各個翅片測量得出f與Re的關(guān)系曲線,在相同的Re下,比較f的大小,f越大表明翅片的加工質(zhì)量就越差。為了檢測翅片的質(zhì)量,重點是要得到每個翅片的阻力特性曲線,即摩擦因子f與雷諾數(shù)Re的關(guān)系圖。

空氣雷諾數(shù)Re[5]：

式中,Q為空氣體積流量(m3/s);De為通道的當量直徑(m);A為流通面積(m2);為運動粘度(m2/s)。

運動粘度和翅片進、出口的平均溫度有關(guān),運動粘度由傳熱學書[6]中查得。摩擦因子f：

式中,△P為流經(jīng)板翅的空氣壓差(Pa);L為板翅式換熱器翅片的長度(m);ρ為空氣的密度(kg/m3)。

密度和進出口的平均溫度有關(guān),密度由傳熱學書[6]中查得。

2 硬件系統(tǒng)設計

翅片性能測試試驗臺以一鼓風式風洞系統(tǒng)為基礎。風洞系統(tǒng)為翅片流動特性檢測提供流體(空氣)動力,在翅片兩端建立起測試所需的壓差。風洞的風量調(diào)節(jié)由變頻風機實現(xiàn),風量的測量由渦街流量計完成,壓差的測量由差壓傳感器完成,出口溫度和出口溫度由溫度傳感器PT100測量,風洞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。通過風機提高進入風洞系統(tǒng)的空氣壓力后,依次測量空氣流過翅片時的進口溫度、壓降、出口溫度、流量,利用所測參數(shù)計算流過翅片的空氣雷諾數(shù)Re和空氣流經(jīng)翅片時的摩擦因子f。

圖1 風洞系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)以計算機為核心,通過RS485總線與多功能數(shù)據(jù)采集控制板和變頻器進行數(shù)據(jù)通信,完成對整個測試臺的數(shù)據(jù)采集和控制。變頻器的頻率控制信號直接由PC機通過RS485口發(fā)向變頻器,實現(xiàn)對羅茨風機的風量控制,其余5路信號的采集和控制全部由多功能數(shù)據(jù)采集控制板完成。為了減少變頻器輸出以及變頻電機高次諧波對電源的干擾,所有進出電源線全部外套有帶有良好接地的金屬軟管,同時將電源進出線分開布線,以盡可能降低干擾。在調(diào)試過程中發(fā)現(xiàn),變頻器頻率控制信號在工業(yè)現(xiàn)場受擾動較嚴重,需要將連接變頻器的信號線兩端分別接地以保證信號傳輸?shù)姆€(wěn)定性。

計算機可對實驗數(shù)據(jù)進行自動控制、檢測、分析、計算與顯示;并可對各項數(shù)據(jù)進行自動存儲、管理、繪圖,并生成數(shù)據(jù)報表。計算機測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集部分通過六路傳感器完成,為提高系統(tǒng)相對精度,降低測量誤差,特選用高精度傳感器。各傳感器選型及其技術(shù)參數(shù)如表1所示。

表1 測試儀表及精度

圖2 計算機測控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3 軟件系統(tǒng)設計

3.1 軟件的總體設計

系統(tǒng)操作人員通過人機交互界面選擇試驗類型、設置工況、實時監(jiān)控采集的數(shù)據(jù)情況和系統(tǒng)運行的情況、根據(jù)數(shù)據(jù)曲線和數(shù)據(jù)報表來分析試驗情況等,測控系統(tǒng)提供測試功能,可以通訊狀況以及實時數(shù)據(jù)進行檢測并提示故障信息。總體上,本測控系統(tǒng)采用高性能計算機與高精度數(shù)據(jù)采集儀、符合測試要求的高精度傳感器與接口電路,基于Windows開發(fā)環(huán)境,以工業(yè)實時數(shù)據(jù)采集和處理軟件為基礎。

本研究針對需求分析為軟件構(gòu)建了如圖3所示的3層軟件架構(gòu)圖,分別是用戶界面表示層、業(yè)務邏輯層和數(shù)據(jù)訪問層。

圖3 軟件架構(gòu)圖

用戶界面表示層主要是對用戶的請求接受,以及數(shù)據(jù)的返回,為用戶提供應用程序的訪問,在本研究中表現(xiàn)為WINFORM的方式。業(yè)務邏輯層主要負責對數(shù)據(jù)訪問層的操作、數(shù)據(jù)采集及儀表控制,在表示層和數(shù)據(jù)訪問層之間起到了橋梁的作用。數(shù)據(jù)訪問層主要負責對原始數(shù)據(jù)的操作,這里的原始數(shù)據(jù)包括保存于數(shù)據(jù)庫中的采集數(shù)據(jù)和以XML形式存儲的系統(tǒng)配置文件,該層為業(yè)務邏輯層提供了數(shù)據(jù)服務。三層體系的應用程序?qū)I(yè)務規(guī)則、數(shù)據(jù)訪問、合法性校驗等工作都放到了中間層進行處理。該架構(gòu)將界面、業(yè)務邏輯、數(shù)據(jù)訪問分離,各層之間僅提供相應的接口供各層交互使用,各層對自己負責,對外表現(xiàn)為高內(nèi)聚、低耦合,增強了代碼的可讀性,方便了系統(tǒng)的擴展,這意味著如果需要修改應用程序代碼只需要專注于應用系統(tǒng)核心業(yè)務邏輯的分析、設計和開發(fā),簡化了應用系統(tǒng)的開發(fā)、更新和升級工作。

3.2 類模型的建立

根據(jù)需求分析與軟件架構(gòu)圖,識別出問題域中主要對象,由對象抽象出類。采用UML建立系統(tǒng)類圖模型,揭示了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與組成,系統(tǒng)類圖模型如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)類圖

系統(tǒng)類圖分3個主要部分：

(1)數(shù)據(jù)庫部分。主要功能是數(shù)據(jù)的儲存查詢,包含數(shù)據(jù)工廠,數(shù)據(jù)管理者,SQL管理,Access管理4個類,該部分提供了對SQL Server數(shù)據(jù)庫和Access數(shù)據(jù)庫的操作接口,可根據(jù)客戶選用的數(shù)據(jù)庫管理軟件自動調(diào)用對應的接口。本設計采用一個單獨的類來完成這個創(chuàng)建實例的過程,這一類就是工廠類數(shù)據(jù)工廠,工廠根據(jù)傳入的參數(shù),判斷需要創(chuàng)建的實例,創(chuàng)建并返回該實例。這一設計增加了系統(tǒng)的靈活性,體現(xiàn)了代碼的可復用性;

(2)采集控制部分。主要功能是控制變頻器、風機、油泵、模具的開和關(guān),包括變頻器的變頻,以及采集五路傳感器數(shù)據(jù)和變頻器頻率信號。該部分包括建造者工廠,建造者,控制建造者,通信建造者,變頻器操作,控制臺操作,數(shù)據(jù)采集7個類。由于系統(tǒng)啟動和停止、數(shù)據(jù)采集的流程穩(wěn)定,在此采用建造者類對對象內(nèi)部的復雜變化進行封裝,客戶只需要指定需要建造的類型(這里包括系統(tǒng)啟動,系統(tǒng)停止、變頻器變頻和數(shù)據(jù)采集)就能保證系統(tǒng)執(zhí)行正確的操作,而無需知道建造的過程和細節(jié);

(3)其他功能模塊。該部分主要完成數(shù)據(jù)曲線繪制,歷史數(shù)據(jù)查詢,和數(shù)據(jù)報表打印等3大功能。主要包括圖形顯示,數(shù)據(jù)查詢,報表打印等3個主要的類,其中圖形顯示類采用了第3方畫圖控件(NI公司的CWGraph控件)來輔助完成數(shù)據(jù)曲線的繪制,不但減輕了開發(fā)者的開發(fā)任務,而且達到了很好的繪制效果。報表打印類實現(xiàn)打印接口,這樣的設計有助于未來打印功能變更時對系統(tǒng)的擴展或者修改。

3.3 數(shù)據(jù)庫模塊設計

數(shù)據(jù)庫在系統(tǒng)中處于一個中樞環(huán)節(jié)。數(shù)據(jù)采集、計算、顯示、存儲都需要數(shù)據(jù)庫的支持。通過I/O采集模塊獲取的現(xiàn)場數(shù)據(jù)經(jīng)過程序解析處理后,在寫入數(shù)據(jù)庫的時候會根據(jù)量程變換、參數(shù)補償?shù)刃畔⑦M行計算和各種報警處理,然后將采集到的數(shù)據(jù)寫入到數(shù)據(jù)庫中的對應點。本系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫功能結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。

圖5 數(shù)據(jù)庫功能結(jié)構(gòu)圖

由于系統(tǒng)需要頻繁的訪問鏈接數(shù)據(jù)庫,造成資源的浪費,為提高程序的伸縮性和健壯性,本設計采用了數(shù)據(jù)庫連接池技術(shù)。連接池技術(shù)的核心思想是：連接復用,通過建立一個數(shù)據(jù)庫連接池以及一套連接使用、分配、管理策略,使得該連接池中的連接可以得到高效、安全的復用,避免了數(shù)據(jù)庫連接頻繁建立、關(guān)閉的開銷。當外部應用程序訪問數(shù)據(jù)庫時,不是直接向數(shù)據(jù)庫新建一個連接,而是向連接池申請一個連接,若有空閑連接,則分配一個連接,否則,將創(chuàng)建一個新連接。

4 運行測試結(jié)果

采用本系統(tǒng)對同一翅片連續(xù)進行4組重復性試驗,第一組數(shù)據(jù)的誤差分析如表2所示。

用同樣的方法,對另外的3組實驗數(shù)據(jù)進行分析,其阻力特性曲線如圖6所示。

測控系統(tǒng)重復性分析：

擬合線公式f=0.453 2Re-0.2257;

上限公式f=0.465 8Re-0.2257;

下限公式f=0.440 9Re-0.2257;

上限誤差為2.78%,下限誤差為2.71%,都在±3%以內(nèi),設備的重復性能夠滿足要求。

由實驗臺的重復性實驗和誤差分析,可知本系統(tǒng)所測試的數(shù)據(jù)是可靠的。

圖6 翅片4次重復實驗f隨Re變化關(guān)系

5 結(jié)束語

本研究設計了測試板翅式換熱器翅片表面流動特性的試驗臺。提出了軟件的架構(gòu),詳細介紹了主要模塊的設計,并在.NET平臺上基于C#語言開發(fā)了板翅式換熱器翅片性能測試實驗臺測控軟件。該系統(tǒng)經(jīng)過了較長時間的運行測試和使用,結(jié)果顯示其性能穩(wěn)定、運行可靠、各項檢測精度皆符合設計要求,并具有操作簡單、方便、直觀等特點,對翅片性能的測試具有較好的實用價值。

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