基于科研和教學(xué)協(xié)同理念的船舶換熱器試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)開發(fā)

錢作勤

(武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢430063)

近些年來，在日益激烈的競爭背景下，高等教育科研本位思想上升、科研與教學(xué)脫離甚至科研影響教學(xué)的現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。如何正確處理科研與教學(xué)之間的關(guān)系，努力實(shí)現(xiàn)兩者的協(xié)同發(fā)展已經(jīng)成為高等教育需要重點(diǎn)解決的問題［1-4］。以本校能源與動(dòng)力工程學(xué)院船舶換熱器試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)開發(fā)為對象，就高校實(shí)驗(yàn)室兼顧科研與教學(xué)的協(xié)同發(fā)展談?wù)勂浼夹g(shù)實(shí)現(xiàn)。

船舶工業(yè)領(lǐng)域，換熱器主要用于中央冷卻器、淡水冷卻器、柴油機(jī)冷卻器、缸套水冷卻器、潤滑油和傳動(dòng)油冷卻、重燃料油和柴油的預(yù)熱?？紤]到輪機(jī)工程專業(yè)的專業(yè)特色，為了培養(yǎng)學(xué)生的認(rèn)知能力和實(shí)際動(dòng)手能力，建立專門的船舶換熱器實(shí)驗(yàn)室。該實(shí)驗(yàn)室可以對船舶上常用的多種類型的換熱器進(jìn)行不同工況的試驗(yàn)測試，為換熱器的相關(guān)數(shù)值模擬仿真研究提供試驗(yàn)數(shù)據(jù)支持。

1 換熱器試驗(yàn)臺(tái)架系統(tǒng)組成

板翅式換熱器因其換熱效率高和結(jié)構(gòu)緊湊的特點(diǎn)，廣泛地應(yīng)用到機(jī)械、化工和交通等行業(yè)中，應(yīng)用范圍越來越寬，重要性也日顯突出。在板翅換熱器應(yīng)用領(lǐng)域，換熱介質(zhì)多種多樣，換熱器翅片形式也多種多樣，并不斷有新形式的翅片被采用，對各種形式換熱器性能的檢測［5］和對其換熱能力的把握日顯重要。根據(jù)用戶需要，建立換熱器性能試驗(yàn)裝置，對換熱器的綜合性能進(jìn)行全面測試，為換熱器的新品開發(fā)與改進(jìn)設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)和驗(yàn)證手段。

1.1 試驗(yàn)臺(tái)開發(fā)軟件工具

鑒于Matlab可為測試及儀表軟件提供良好的多種經(jīng)典的信號(hào)處理函數(shù)和信號(hào)分析工具，將Matlab作為測控系統(tǒng)的開發(fā)平臺(tái)。

1.2 系統(tǒng)概述

1.2.1 換熱器性能試驗(yàn)系統(tǒng)

換熱器換熱能力的大小以及進(jìn)行熱量傳遞的各路流體流動(dòng)阻力的大小，是衡量換熱器好壞的兩項(xiàng)重要指標(biāo)。其與熱介質(zhì)的溫度及其流動(dòng)速度有很大的關(guān)系。換熱器性能試驗(yàn)，就是建立一個(gè)滿足換熱器設(shè)計(jì)工況的溫度和流量條件，測試在此工況條件下，換熱器的換熱能力以及流動(dòng)阻力，并模擬各種試驗(yàn)使用條件，測試器性能指標(biāo)的變換情況。構(gòu)建換熱器性能試驗(yàn)系統(tǒng)見圖1。

1.2.2 測控系統(tǒng)的功能和特點(diǎn)

測控系統(tǒng)的搭建是基于Matlab的GUI開發(fā)工具，利用計(jì)算機(jī)PC進(jìn)行上位界面顯示，實(shí)現(xiàn)即時(shí)數(shù)據(jù)的顯示和各個(gè)設(shè)備的開關(guān)操作以及手動(dòng)調(diào)節(jié)操作。系統(tǒng)采用四線鉑電阻溫度變送器、壓阻力式和壓差式傳感器、流量傳感器，配備有ADAM5000系列數(shù)據(jù)采集模塊，進(jìn)行試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集并向計(jì)算機(jī)傳輸和實(shí)驗(yàn)設(shè)備的操控。

圖1 系統(tǒng)布置示意

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)集中控制，具有很強(qiáng)的自動(dòng)調(diào)節(jié)功能。對所有設(shè)備的開停和調(diào)節(jié)，都可以在上位計(jì)算機(jī)PC中基于Matlab的GUI工具開發(fā)的操作界面中實(shí)現(xiàn)，是實(shí)驗(yàn)操作輕松簡便，減輕了操作人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，大大提高了工作效率。試驗(yàn)人員通過計(jì)算機(jī)顯示屏，可即時(shí)了解各種數(shù)據(jù)采集點(diǎn)的溫度、壓力、壓差和流量、液位數(shù)據(jù)，并以此判斷試驗(yàn)所處的狀態(tài)，隨時(shí)實(shí)施人工干預(yù)。

自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)利用計(jì)算機(jī)程序處理，代替了傳統(tǒng)的智能控制儀進(jìn)行PID計(jì)算，計(jì)算結(jié)果轉(zhuǎn)換成控制信號(hào)，通過輸出模塊與轉(zhuǎn)換器輸送到各個(gè)執(zhí)行設(shè)備。

2 試驗(yàn)參數(shù)的測試和控制方法

2.1 測試方法

換熱器的性能參數(shù)主要有換熱量和換熱器中各介質(zhì)回路的流動(dòng)阻力。換熱量無法直接測量，需要通過測量溫差和流量，經(jīng)計(jì)算得出。試驗(yàn)中需要測量的物理量主要有流量、溫度、壓力和壓差。冷卻側(cè)水流量的測量和熱油側(cè)油質(zhì)的測量，在其進(jìn)出口出選取合適的壓力測量點(diǎn)，根據(jù)試驗(yàn)條件精度要求，選擇標(biāo)準(zhǔn)直徑大小的流量測量計(jì)，根據(jù)壓力差和管口的標(biāo)準(zhǔn)直徑計(jì)算出工質(zhì)流量。溫度的測量采用四線鉑電阻溫度變送器;壓力和壓差的測量采用了壓阻式壓力變送器和壓差變送器。這些高精度、高靈敏度的傳感器的選用，提高了各狀態(tài)參數(shù)數(shù)據(jù)采集的精度和速率，保證數(shù)據(jù)采集的準(zhǔn)確性和即時(shí)性［6-7］。

2.2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集

測控系統(tǒng)對各處理系統(tǒng)中的換熱介質(zhì)的狀態(tài)參數(shù)實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一的測量和控制，其硬件框圖見圖2。

圖2 系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集結(jié)構(gòu)組成

測量壓力、溫度和流量及液位的壓力變送器、鉑電阻溫度傳感器、流量計(jì)以及液位計(jì)將實(shí)際測量數(shù)據(jù)的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成易于傳輸?shù)慕y(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA的彼岸準(zhǔn)電流信號(hào)傳給ADAM5000系列模塊集的對應(yīng)模塊上，如溫度信號(hào)傳給ADAM5013模塊。計(jì)算機(jī)通過串口與數(shù)據(jù)采集模塊進(jìn)行通信。計(jì)算機(jī)時(shí)鐘控制系統(tǒng)定時(shí)發(fā)出數(shù)據(jù)采集命令，數(shù)據(jù)采集儀接到命令后，執(zhí)行一次掃描，并將采集到的一組數(shù)據(jù)打包，即時(shí)向計(jì)算機(jī)傳輸。計(jì)算機(jī)接受到的數(shù)據(jù)后，經(jīng)過分解轉(zhuǎn)換成為相應(yīng)的物理量，顯示于上位機(jī)監(jiān)控界面上。

測得的流量計(jì)和驅(qū)動(dòng)電機(jī)的變頻器，利用一條485數(shù)據(jù)線，通過RS232/RS485轉(zhuǎn)換器和接口實(shí)現(xiàn)與上位計(jì)算機(jī)的通信，實(shí)時(shí)向計(jì)算機(jī)返回?cái)?shù)據(jù)，并受計(jì)算機(jī)控制。流量計(jì)的數(shù)據(jù)采集由計(jì)算機(jī)控制定時(shí)進(jìn)行，變頻器的運(yùn)轉(zhuǎn)與數(shù)據(jù)輸出由人工操作，兩路設(shè)備的通信在程序中實(shí)現(xiàn)交替工作模式。在通信線路被其它設(shè)備占用時(shí)，設(shè)備的通信將執(zhí)行等待指令，等待線路空閑后，在實(shí)施通信。保證通信線路在任一時(shí)間內(nèi)，只被通信線路而產(chǎn)生沖突。

2.3 工況的調(diào)節(jié)與控制

計(jì)算機(jī)采集到數(shù)據(jù)后，隨即進(jìn)行分解，將其中需要控制的溫度、壓力、流量等參數(shù)與設(shè)定參數(shù)進(jìn)行對比，進(jìn)行比例積分微分計(jì)算，計(jì)算結(jié)果直接輸出至調(diào)節(jié)設(shè)備進(jìn)行調(diào)節(jié)。數(shù)據(jù)采集［8-10］有一定的時(shí)間周期，將數(shù)據(jù)采集、PID計(jì)算與輸出調(diào)節(jié)在一個(gè)循環(huán)程序中，數(shù)據(jù)采集后即時(shí)進(jìn)行計(jì)算、輸出、調(diào)節(jié)，這樣保證了調(diào)節(jié)的即時(shí)性，可減少試驗(yàn)參數(shù)因調(diào)節(jié)之后而造成的波動(dòng)，控制效果好。

在需要調(diào)節(jié)的各參數(shù)中，流量的調(diào)節(jié)通過改變驅(qū)動(dòng)電機(jī)的轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)，溫度通過調(diào)功器進(jìn)行調(diào)節(jié)加熱量，液位只作指示作用，不需進(jìn)行調(diào)節(jié)。

2.4 試驗(yàn)參數(shù)、數(shù)據(jù)記錄以及文件保存

為使系統(tǒng)可針對多種換熱介質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)，需要在系統(tǒng)中設(shè)定多種試驗(yàn)參數(shù)。通常情況下，試驗(yàn)周期較長，而且需要對某一產(chǎn)品進(jìn)行多次試驗(yàn)。在試驗(yàn)程序中，設(shè)計(jì)有試驗(yàn)參數(shù)的保存與調(diào)用程序，為試驗(yàn)提供方便、簡化了試驗(yàn)操作;同時(shí)又可以避免因人為因素造成的參數(shù)設(shè)定的不一致，保證了重復(fù)性試驗(yàn)的一致性。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄和試驗(yàn)中諸如試驗(yàn)產(chǎn)品信息、流量測量等的選擇信息，PID參數(shù)設(shè)定等，都采用文件的方式進(jìn)行保存和調(diào)用。試驗(yàn)數(shù)據(jù)文件名和路徑的保存，可由操作者自行指定。將文件名和保存路徑作為變量儲(chǔ)存于計(jì)算機(jī)中，生成實(shí)驗(yàn)報(bào)告時(shí)，可調(diào)用相應(yīng)的文件。程序可自動(dòng)生成統(tǒng)一的格式記錄報(bào)告。

2.5 操作界面

此測控系統(tǒng)的操作界面較多，引導(dǎo)界面為系統(tǒng)的功能分支銨鈕，包含參數(shù)設(shè)置銨鈕、試驗(yàn)監(jiān)控銨鈕、數(shù)據(jù)處理銨鈕，點(diǎn)擊后可分別調(diào)用這三部分的監(jiān)控界面;主操作界面為監(jiān)控系統(tǒng)的布置圖以及相應(yīng)位置的各個(gè)儀表和調(diào)節(jié)控制銨鈕等;輔助界面包含個(gè)中儀表選擇和通道設(shè)置，以及監(jiān)控圖表和處理曲線等。啟動(dòng)系統(tǒng)后，首先進(jìn)入一個(gè)引導(dǎo)界面，操作者根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求和工況條件，進(jìn)行參數(shù)配置和選擇，設(shè)定完成后進(jìn)入主操作界面，系統(tǒng)啟動(dòng)運(yùn)行，在主界面中可以實(shí)時(shí)查看各儀表的測量參數(shù)和控制參量。試驗(yàn)參數(shù)設(shè)定和PID調(diào)節(jié)板兩界面在退出時(shí)，設(shè)定的參數(shù)自動(dòng)保存與計(jì)算機(jī)文件中，為使用者提供方便。系統(tǒng)監(jiān)控界面主視圖見圖3。

圖3 系統(tǒng)監(jiān)控界面主視圖

3 科研和教學(xué)的協(xié)同應(yīng)用

傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)室教學(xué)偏重對理論的驗(yàn)證，束縛了學(xué)生的思維，容易降低學(xué)生的積極性［11］，為改變過去教學(xué)實(shí)驗(yàn)過程中的驗(yàn)證性思維模式，在教學(xué)過程中增加設(shè)計(jì)性、創(chuàng)新性、綜合性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，既可以激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)造性思維，提高教學(xué)成果;同時(shí)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以為科學(xué)研究提供數(shù)據(jù)參考，促進(jìn)科研的發(fā)展。這樣的發(fā)展模式對于科研水平的提高和教學(xué)成果的取得都有積極的意義。

換熱器性能參數(shù)試驗(yàn)臺(tái)用于測量換熱器的性能，通過試驗(yàn)測量介質(zhì)不同的溫度和流速下?lián)Q熱器的總換熱量、總傳熱系數(shù)K、壓力降ΔP以及這些參數(shù)與流體流速的關(guān)系，并可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，比較不同類型換熱器的工作特點(diǎn)和應(yīng)用范圍。傳統(tǒng)的換熱器試驗(yàn)臺(tái)架測試系統(tǒng)由獨(dú)立的儀表組成，需要人工讀數(shù)和計(jì)量，測試結(jié)果的實(shí)時(shí)性和準(zhǔn)確性差，離散度大，可比性不強(qiáng)，為實(shí)驗(yàn)教學(xué)和科學(xué)研究帶來了困難［12］。隨著傳感器性能的提高和測試技術(shù)的不斷完善，本系統(tǒng)一方面提高了本科生的實(shí)踐教學(xué)效率，同學(xué)們能更熟練地掌握換熱器性能參數(shù)，單組實(shí)驗(yàn)效率提高;另一方面，研究生的科研實(shí)驗(yàn)創(chuàng)新性得到開發(fā)，試驗(yàn)參數(shù)對比范圍更廣;同時(shí)，在計(jì)算機(jī)仿真分析的結(jié)果驗(yàn)證方面，試驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果更一目了然。

4 結(jié)論

1)改革試驗(yàn)課程設(shè)置?；趧?dòng)手能力和創(chuàng)新思維的培養(yǎng)，加大設(shè)計(jì)性試驗(yàn)的比重，在各試驗(yàn)前，學(xué)生結(jié)合相關(guān)的專業(yè)知識(shí)，對影響換熱器傳熱性能的參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，確定各個(gè)物理量的大小，根據(jù)自己的分析提出設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，試驗(yàn)過程中在Matlab界面輸入各參數(shù)的值，進(jìn)行試驗(yàn)，觀察分析結(jié)果并保存數(shù)據(jù)，以便供研究生對不同參數(shù)進(jìn)行對比，其實(shí)這本身就是科研實(shí)踐的一個(gè)環(huán)節(jié)。

2)創(chuàng)新教學(xué)方式方法。在試驗(yàn)的教學(xué)過程中，組織研究生進(jìn)行指導(dǎo)，一方面加深交流，為參數(shù)的優(yōu)化提供思路;另一方面，試驗(yàn)對不同的參數(shù)進(jìn)行對比，可從中選出對性能較好的數(shù)據(jù)。

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