基于熱成像法的散熱器管路臟堵檢測(cè)

文 | 陳少敏，董紅云，湯騰蛟，何貽春

散熱器內(nèi)部管道較為細(xì)小，由于冷卻液污染或使用不當(dāng)，會(huì)使散熱器細(xì)小管道內(nèi)部管壁發(fā)生垢污附著，嚴(yán)重時(shí)會(huì)發(fā)生管路堵塞現(xiàn)象。傳統(tǒng)的應(yīng)用壓力測(cè)量和流量測(cè)量值判斷散熱器臟堵的方法需要拆裝管路，且不能精確定位臟堵位置和類型（垢污附著或堵塞），操作費(fèi)時(shí)費(fèi)力，給散熱器早期檢修及預(yù)防更換帶來(lái)困難。根據(jù)熱力學(xué)，絕對(duì)溫度在0 K以上的物體，都會(huì)因物質(zhì)內(nèi)部的分子運(yùn)動(dòng)而熱輻射出紅外線，利用熱成像儀即可對(duì)物體的溫度場(chǎng)進(jìn)行非接觸式判斷，以此了解物體表面或內(nèi)部情況。目前，熱成像已在軍事、工業(yè)、汽車輔助駕駛、醫(yī)學(xué)領(lǐng)域以及風(fēng)電行業(yè)電氣檢修都有廣泛應(yīng)用，但在風(fēng)電行業(yè)散熱器檢修領(lǐng)域應(yīng)用極少。本文主要研究不同缺陷物質(zhì)對(duì)散熱器溫度場(chǎng)的影響原理，分析總結(jié)散熱器管路臟堵部位的熱成像，明確垢污附著和堵塞故障表現(xiàn)的溫度變化規(guī)律，利用熱成像技術(shù)進(jìn)行分析，精確定位散熱器的臟堵位置及類型，結(jié)合風(fēng)電領(lǐng)域散熱器的不同臟堵嚴(yán)重情況及其處理方式，為散熱器檢修提供一種非接觸式快速散熱器管路臟堵判斷方法，對(duì)提高風(fēng)電行業(yè)散熱器檢修效率，預(yù)防散熱器堵塞可行性，確保風(fēng)電機(jī)組散熱器可靠性、提升業(yè)主發(fā)電量具有重要意義?？赏茝V至液冷和液壓系統(tǒng)的各個(gè)領(lǐng)域的設(shè)計(jì)、檢修環(huán)節(jié)。

散熱器管路臟堵類型

冷卻系統(tǒng)一般有水泵、管路、待冷卻部件（電機(jī)、變流器或柜體等），往往存在鐵、鋁、甚至銅等金屬元素，為原電池反應(yīng)提供了發(fā)生條件；而冷卻液加注不當(dāng)，使油脂類等雜質(zhì)混入冷卻系統(tǒng)，這些都增加了散熱器臟堵發(fā)生的可能性。根據(jù)散熱器臟堵的情況，可以分類為污垢附著和堵塞兩種情況。

一、垢污附著

早期時(shí)，原電池反應(yīng)及污染的冷卻液導(dǎo)致銹垢和油垢在散熱器微小管道內(nèi)部附著，易發(fā)生于管路彎頭、細(xì)管入口等冷卻系統(tǒng)的高壓側(cè)。發(fā)生垢污附著時(shí)，散熱器散熱性能會(huì)小幅下降，但因散熱設(shè)計(jì)時(shí)留有余量，不影響部件散熱，難以引起檢修人員的足夠重視。對(duì)于發(fā)生垢污附著的散熱器，通過(guò)針對(duì)性的清洗可以恢復(fù)其散熱性能。

二、堵塞

隨著系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間增加，冷卻液污染程度加重，原電池反應(yīng)加劇，銹垢和油垢聚集，附著部位的管路發(fā)生堵塞。此時(shí)散熱器散熱性能大幅下降，冷卻液溫度升高，無(wú)法滿足部件的散熱要求，進(jìn)而發(fā)生部件過(guò)溫現(xiàn)象。因散熱器管路微小及內(nèi)部水道并行布置，一般堵塞的散熱器難以清洗干凈，需要更換散熱器。

紅外熱成像技術(shù)原理

根據(jù)熱力學(xué)理論，凡是絕對(duì)溫度在0 K以上的物體，都會(huì)因物質(zhì)內(nèi)部的分子運(yùn)動(dòng)而熱輻射出紅外線。而紅外熱成像儀就是根據(jù)物體的這一特性，采用非接觸方式探測(cè)物體紅外能量，并將其轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，進(jìn)而在顯示器上生成熱圖像和溫度值，并利用相關(guān)軟件對(duì)熱圖像及溫度值進(jìn)行計(jì)算的檢測(cè)設(shè)備。

紅外熱成像技術(shù)的特點(diǎn)：具備320×240及以上的像素，分辨率小于0.1℃，空間分辨率小，探測(cè)變化溫度的精度高、范圍廣，具備紅外和可見光圖像合成功能，全天均可工作。

管路臟堵判斷原理

紅外線是物質(zhì)熱輻射產(chǎn)生的，其熱輻射能量的大小，與物體表面的溫度有關(guān)。當(dāng)管道內(nèi)部為非均質(zhì)體（或存在缺陷），通過(guò)熱流時(shí)，其反應(yīng)到管路表面的熱輻射能量大小也不一樣。不同臟堵類型下散熱器管路表面的輻射能量分布見圖1—圖3所示。

圖1 無(wú)缺陷物質(zhì)的熱流體管路表面輻射熱能量分布圖

圖2 存在隔熱型缺陷物質(zhì)的熱流體管路表面輻射熱能量分布圖

從圖1—圖3可知，熱流注入是均勻的，對(duì)無(wú)缺陷的物體，其管路表面的熱輻射能量分布基本是均勻的，如果管路內(nèi)部發(fā)生缺陷，在缺陷處熱輻射能量分布將發(fā)生變化。對(duì)于隔熱型的缺陷（如銹垢、油垢、泥垢等），其管路表面因熱流能量傳導(dǎo)減緩導(dǎo)致管路表面發(fā)生 “冷點(diǎn)”；而對(duì)于導(dǎo)熱型的缺陷（如銅等），其管路表面因熱流能量傳導(dǎo)加快導(dǎo)致管路表面發(fā)生“熱點(diǎn)”；對(duì)于堵塞型缺陷和垢污附著缺陷，由于熱流通道的通斷，其缺陷處后段熱輻射能量分布將發(fā)生明顯區(qū)別：堵塞型缺陷管路缺陷處后段熱輻射能量發(fā)生一個(gè)階梯性驟減，而垢污附著型缺陷管路因熱流仍能通過(guò)，其缺陷處后段熱輻射能量與缺陷處前段熱輻射能量無(wú)明顯變化。

圖4 鋁翅片散熱器管路構(gòu)造圖

熱成像技術(shù)在散熱器管路臟堵檢測(cè)中的應(yīng)用

紅外熱成像儀就是將物體發(fā)出的不可見紅外能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷臒釄D像，熱圖像上的不同顏色代表被測(cè)物體的不同溫度，可以通過(guò)熱圖像的溫度分布找出異常溫度點(diǎn)，對(duì)散熱器管路臟堵位置及類型進(jìn)行判斷。

翅片式散熱器是氣體與液體熱交換器中使用最為廣泛的一種換熱設(shè)備，由具體整體構(gòu)造（見圖4）及散熱通道剖面圖（見圖5）可知，其散熱器管路水平并排放置，冷卻液自左向右流動(dòng)，相鄰的兩個(gè)管路間設(shè)置并排錯(cuò)開的翅片，將管路冷卻液吸收的熱量散發(fā)到空氣中，達(dá)到換熱的目的。而從散熱管路解剖圖可以看出，管路內(nèi)部設(shè)置并排錯(cuò)開的翅片進(jìn)行加強(qiáng)換熱。

操作方法為用熱成像儀正對(duì)散熱器表面，啟動(dòng)水泵，對(duì)散熱器進(jìn)行拍攝，觀察3～5分鐘，利用熱成像圖像對(duì)散熱器管路臟堵進(jìn)行檢測(cè)分析，結(jié)合散熱器臟堵處理經(jīng)驗(yàn)提出解決措施。

以新能源盤錦某風(fēng)電場(chǎng)1650kW型3#、14#、4#、11#風(fēng)電機(jī)組的水冷鋁翅片散熱器為檢測(cè)對(duì)象，用Fluke的銳智TI400熱成像儀為檢測(cè)工具，對(duì)熱成像技術(shù)在散熱器管路臟堵檢測(cè)中的應(yīng)用進(jìn)行闡述。

一、正常（無(wú)缺陷物質(zhì)）散熱器管路熱成像

正?，F(xiàn)象：?jiǎn)?dòng)水泵時(shí)，散熱器的溫度場(chǎng)從散熱器左邊散熱器進(jìn)水管的并列水道均勻推向右邊散熱器回水管，且在5min內(nèi)全部完成，即散熱器溫度場(chǎng)均被紅色覆蓋，各并列水道全部連通。則散熱器未被堵塞，散熱性能良好。

圖像分析：水泵啟動(dòng)后，熱的冷卻液（紅色）逐步從左至右覆蓋整個(gè)散熱器表面，見圖6。說(shuō)明散熱器無(wú)臟堵情況，散熱性能良好。

處理措施：無(wú)需處理。

二、垢污附著型缺陷散熱器管路熱成像

缺陷現(xiàn)象：?jiǎn)?dòng)水泵時(shí)，散熱器的溫度場(chǎng)從散熱器左邊散熱器進(jìn)水管的并列水道均勻推向右邊散熱器回水管，且在10min內(nèi)完成，即散熱器溫度場(chǎng)絕大部分被紅色覆蓋，只有個(gè)別區(qū)域存在斑點(diǎn)區(qū)域或豎斷面區(qū)域，斑點(diǎn)區(qū)域或豎斷面區(qū)域?yàn)楣肝鄹街恢眉案街康姆秶笮　?/p>

圖像分析：水泵啟動(dòng)后，熱的冷卻液（紅色）逐步從左至右覆蓋整個(gè)散熱器表面，但局部區(qū)域存在明顯的斑點(diǎn)（圖中黑框內(nèi)區(qū)域），見圖7。說(shuō)明散熱器存在局部垢污附著情況，散熱性能較良好。

處理措施：用對(duì)散熱器無(wú)損傷的針對(duì)性清洗劑清洗散熱器，至散熱器管道熱成像無(wú)局部斑點(diǎn)區(qū)域?yàn)橹埂?/p>

圖5 鋁翅片散熱器通道剖面圖

圖6 正常散熱器管路熱成像圖像（3#風(fēng)電機(jī)組散熱器）

圖8 垢污附著型缺陷散熱器管路熱成像——豎斷面型（4#風(fēng)電機(jī)組散熱器）

圖7 垢污附著型缺陷散熱器管路熱成像——斑點(diǎn)型（14#風(fēng)電機(jī)組散熱器）

圖9 堵塞型缺陷散熱器管路熱成像——橫斷面型（11#風(fēng)電機(jī)組散熱器）

圖像分析：水泵啟動(dòng)后，熱的冷卻液（紅色）逐步從左至右覆蓋整個(gè)散熱器表面，但局部區(qū)域存在明顯的豎直斷面（圖中黑框內(nèi)區(qū)域，見圖8）。說(shuō)明散熱器存在局部垢污附著情況，散熱性能較好。

處理措施：用對(duì)散熱器無(wú)損傷的針對(duì)性清洗劑清洗散熱器，至散熱器管道熱成像無(wú)局部豎斷面區(qū)域?yàn)橹埂?/p>

三、臟堵型缺陷散熱器管路熱成像

缺陷現(xiàn)象：?jiǎn)?dòng)水泵時(shí)，散熱器的溫度場(chǎng)從散熱器左邊散熱器進(jìn)水管的并列水道未均勻推向右邊散熱器回水管，且在5～10min內(nèi)未完成，即散熱器溫度場(chǎng)只有部分被紅色覆蓋，只有個(gè)別水道連通，大部分水道阻斷，則散熱器堵塞。

圖像分析：水泵啟動(dòng)10min后，散熱器管路只有部分紅色區(qū)域從左至右覆蓋整個(gè)散熱器表面，部分水平管路只有管路前段呈紅色，后段管路顏色變淺甚至為藍(lán)色，形成一個(gè)個(gè)橫斷面（見圖9）。說(shuō)明散熱器存在管路堵塞情況，散熱性能較差。

攝影：張偉

處理措施：用對(duì)散熱器無(wú)損傷的針對(duì)性清洗劑清洗散熱器，至散熱器管道熱成像橫斷面為止。若24h仍無(wú)法消除橫斷面，說(shuō)明散熱器管道堵塞部位無(wú)法洗通，需要更換散熱器。

結(jié)論

本文通過(guò)研究不同缺陷物質(zhì)對(duì)散熱器溫度場(chǎng)的影響原理，分析總結(jié)散熱器管路臟堵部位的熱成像，明確垢污附著和堵塞故障表現(xiàn)的溫度變化規(guī)律，提出可行性及準(zhǔn)確性高的基于熱成像法檢測(cè)散熱管路臟堵的方法。此法首先能夠提高散熱器檢修效率，提升服務(wù)質(zhì)量；其次，該方法判斷散熱器臟堵情況及預(yù)防散熱器堵塞可行性強(qiáng)，對(duì)于確保風(fēng)電機(jī)組散熱器可靠性，提升業(yè)主發(fā)電量具有重要意義。