小型冷庫(kù)蒸發(fā)器三維溫度場(chǎng)分析

姜道珠，魯墨森，劉曉輝，魯 榮

（1．山東理工大學(xué)農(nóng)業(yè)工程與食品科學(xué)學(xué)院，山東淄博255091；2．山東省果樹(shù)研究所，山東泰安271000；3．一新保鮮設(shè)備廠，山東泰安271000）

1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備與方法

1．1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備

以冷庫(kù)的小型冷風(fēng)機(jī)為例，蒸發(fā)器的外形結(jié)構(gòu)尺寸為740mm×420mm×250mm（長(zhǎng)×寬×高），采用鋁合金制脹管翅片．圖1為蒸發(fā)器圖片．

圖1 蒸發(fā)器

1．2 實(shí)驗(yàn)測(cè)溫系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)采用熱鍍錫膜銅－康銅熱電偶測(cè)量溫度．熱鍍錫膜銅－康銅熱電偶在±100℃范圍內(nèi)，以裸測(cè)頭和小型保護(hù)管測(cè)頭更能突出熱電偶的高靈敏度特點(diǎn)，在微變動(dòng)態(tài)溫度測(cè)量中優(yōu)勢(shì)突出［4]．換熱翅片管是翅片管簇式蒸發(fā)器的核心部件，其性能的好壞直接影響蒸發(fā)器整套裝置的換熱性能，因此選擇有代表性的位置點(diǎn)將18組熱鍍錫膜銅－康銅熱電偶布置在蒸發(fā)器片管間，微型測(cè)頭緊貼管壁，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管外的溫度動(dòng)態(tài)過(guò)程．蒸發(fā)器的三維測(cè)溫點(diǎn)布局如圖2所示．

圖2 蒸發(fā)器的測(cè)溫點(diǎn)布局圖

1．3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集存儲(chǔ)系統(tǒng)

利用LU－R／C2100無(wú)紙記錄儀改制的高靈敏度多通道微伏級(jí)數(shù)據(jù)采集處理器進(jìn)行數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)工作．記錄儀可接入多路熱電偶熱電勢(shì)信號(hào)輸入，每個(gè)控制板有獨(dú)立的信號(hào)輸入、主輸出和報(bào)警輸出，能夠?qū)崟r(shí)記錄監(jiān)測(cè)所測(cè)項(xiàng)目溫度的微變動(dòng)態(tài)過(guò)程；采用USB接口技術(shù)，可直接將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存到U盤(pán)，通過(guò)上位機(jī)U盤(pán)工具軟件將所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行輸出存檔．因采集數(shù)據(jù)為微伏級(jí)（μV）熱電勢(shì)信號(hào)，故需先將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到Excel數(shù)據(jù)庫(kù)中，具體求解程序的流程圖如圖3所示．然后通過(guò)電勢(shì)值與溫度轉(zhuǎn)換的數(shù)學(xué)模型［5]轉(zhuǎn)換成溫度值做進(jìn)一步分析處理．

圖3 計(jì)算程序流程圖

2 實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?/h2>

根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求的精度的不同，安裝的測(cè)溫點(diǎn)的數(shù)目有所不同．在蒸發(fā)器的測(cè)溫點(diǎn)分布并不規(guī)則的情況下，采用griddata3作為插值估算函數(shù)

利用griddata3函數(shù)繪制蒸發(fā)器三維溫度場(chǎng)的基本方法如下：

（1）建立蒸發(fā)器18個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的溫度矩陣（x，y，z），其中x，y，z的具體設(shè)置如下

x＝［18，18，18，18，18，18，18，18，18，0，0，0，0，0，0，0，0，0]T；

y＝［74，74，74，37，37，37，0，0，0，74，74，74，37，37，37，0，0，0]T；

z＝［36，18，0，36，18，0，36，18，0，36，18，0，36，18，0，36，18，0]T；

（2）利用MATLAB程序?qū)崿F(xiàn)測(cè)溫點(diǎn)熱電勢(shì)值與溫度值之間的轉(zhuǎn)換．設(shè)對(duì)應(yīng)于18個(gè)測(cè)溫點(diǎn)的熱電勢(shì)矩陣為V，則V必定為1×18的矩陣，由于每個(gè)熱電勢(shì)值對(duì)應(yīng)一個(gè)溫度值，所以計(jì)算后得到的各坐標(biāo)矩陣以由下到上、從前向后的順序填寫(xiě)．溫度矩陣T也必定為1×18的矩陣．

（3）調(diào)用meshgrid函數(shù)構(gòu)造要估算的所有點(diǎn)坐標(biāo)矩陣（xi，yi，zi），其均勻網(wǎng)格化坐標(biāo)空間，生成三維容積圖．假設(shè)坐標(biāo)（xi，yi，zi）對(duì)應(yīng)的溫度值矩陣為T(mén)i，則Ti可由下式估算得出．

Ti＝griddata3（x，y，z，T，xi，yi，zi）

（4）調(diào)用slice切片函數(shù)和contourslice四維切片輪廓線函數(shù)繪制該蒸發(fā)器的三維溫度場(chǎng)．

（5）調(diào)用rotate3d函數(shù)可多視角觀測(cè)蒸發(fā)器三維溫度場(chǎng)的變化．

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖4給出了0℃冷庫(kù)的冷風(fēng)機(jī)蒸發(fā)器一個(gè)時(shí)段的三維立體溫度場(chǎng)分布情況．其右邊中部為氟利昂進(jìn)液口，其值為－8℃左右，它是蒸發(fā)器低溫附近區(qū)域．其左端溫度相對(duì)有所升高，達(dá)到－3℃左右，表明了蒸發(fā)器不同位置的換熱狀況．

圖4 蒸發(fā)器三維溫度場(chǎng)

圖5所示為蒸發(fā)器的三維立體溫度場(chǎng)的內(nèi)部切片圖，分別以不同的視角展示了蒸發(fā)器溫度場(chǎng)的內(nèi)部變化情況．利用MATLAB軟件slice切片函數(shù)可實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)器三維立體溫度場(chǎng)模型的內(nèi)部切片處理．

4 結(jié)論與討論

1）借助于MATLAB的計(jì)算功能，可以很方便的實(shí)現(xiàn)熱電偶熱電勢(shì)信號(hào)值轉(zhuǎn)換為溫度值問(wèn)題的求解．利用MATLAB軟件的繪制三維圖功能，可進(jìn)行蒸發(fā)器溫度場(chǎng)分析，并在三維空間顯示溫度的具體變化情況．

圖5 不同視角的蒸發(fā)器溫度場(chǎng)切片圖

2）三維溫度場(chǎng)內(nèi)部切片模型通過(guò)表面已知測(cè)溫點(diǎn)對(duì)蒸發(fā)器內(nèi)部溫度進(jìn)行逼近擬合．此外，蒸發(fā)器三維溫度場(chǎng)是一個(gè)瞬時(shí)的過(guò)程，為更好的探討蒸發(fā)器換熱特性，對(duì)其在多個(gè)時(shí)段和不同的蒸發(fā)狀態(tài)對(duì)溫度場(chǎng)的變化還需要進(jìn)一步大量的實(shí)驗(yàn)研究．

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