板式熱交換器板片展開(kāi)系數(shù)測(cè)量技術(shù)及裝置開(kāi)發(fā)

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(1.上海藍(lán)濱石化設(shè)備有限責(zé)任公司， 上海 201518；2.甘肅藍(lán)科石化高新裝備股份有限公司， 甘肅 蘭州 730070)

板式熱交換器是一種應(yīng)用廣泛的熱交換設(shè)備，具有高效節(jié)能、使用壽命長(zhǎng)及結(jié)構(gòu)緊湊等特點(diǎn)[1]。板式熱交換器以板片為主要傳熱元件，板片材料、形狀以及尺寸必須滿足設(shè)計(jì)要求。板片通常以0.6～1.2 mm厚的金屬板為原材料，經(jīng)過(guò)壓制加工成波紋板。在板片的加工過(guò)程中，必須嚴(yán)格控制波紋板的結(jié)構(gòu)參數(shù)。波紋板結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括波紋傾角、波紋節(jié)距、展開(kāi)系數(shù)、波紋深度及波紋夾角等，這些參數(shù)的控制需要采用適當(dāng)?shù)臏y(cè)量方法和測(cè)量工具。

文中介紹了一種綜合利用激光技術(shù)和計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)處理技術(shù)開(kāi)發(fā)的新型板式熱交換器板片參數(shù)自動(dòng)測(cè)量裝置[2-4]，并針對(duì)展開(kāi)系數(shù)的測(cè)量及測(cè)量誤差進(jìn)行說(shuō)明。

1 板式熱交換器板片測(cè)量技術(shù)現(xiàn)狀

板式熱交換器結(jié)構(gòu)參數(shù)測(cè)量方法的研究早在20世紀(jì)60年代就已經(jīng)開(kāi)始，目前也取得了較為明顯的進(jìn)步。但是板片參數(shù)的測(cè)量卻一直停留在人工測(cè)量階段，未見(jiàn)有專業(yè)自動(dòng)化測(cè)量裝置用于工業(yè)測(cè)量的應(yīng)用報(bào)道。

常見(jiàn)的手動(dòng)測(cè)量方式主要有2種。文獻(xiàn)[4]介紹了一種利用靠尺和修正帶機(jī)構(gòu)完成的板片展開(kāi)系數(shù)φ的測(cè)量方式。此方法通過(guò)使膠帶與板式熱交換器的波紋板面緊密接觸，直接測(cè)量板式熱交換器板片曲面表面長(zhǎng)度，得出節(jié)距間表面長(zhǎng)度T0，用靠尺測(cè)量波紋板片節(jié)距T，應(yīng)用公式φ=T0/T計(jì)算展開(kāi)系數(shù)[5]。

還有一種以半徑規(guī)為主要工具的測(cè)量方式。用半徑規(guī)分別測(cè)內(nèi)、外圓弧近似半徑，用直尺或游標(biāo)卡尺測(cè)量板片相鄰波紋的截距，用近似圓弧長(zhǎng)度除以截距計(jì)算展開(kāi)系數(shù)。由于半徑讀數(shù)是不連續(xù)的，這種方法對(duì)于不是半徑規(guī)標(biāo)準(zhǔn)半徑的圓弧不能精確測(cè)量，一般情況下要用試測(cè)法進(jìn)行檢驗(yàn)。這種方法只能測(cè)量波峰、波谷均為圓弧狀的波紋，對(duì)梯形等其他形式波紋也不適用。

2 新型板式熱交換器板片參數(shù)測(cè)量裝置

2.1 測(cè)量裝置結(jié)構(gòu)

新型板式熱交換器板片參數(shù)測(cè)量裝置系統(tǒng)構(gòu)成見(jiàn)圖1。

圖1 新型板式熱交換器板片參數(shù)測(cè)量裝置系統(tǒng)構(gòu)成示圖

該系統(tǒng)的核心測(cè)量元件激光掃描傳感器是一種光學(xué)距離傳感器，利用光學(xué)三角法基本原理，將激光點(diǎn)投射到金屬板片上，傳感器通過(guò)高發(fā)散性的電荷耦合器(Charge Coupled Device，CCD)圖像傳感器陣列作用測(cè)量反射回來(lái)激光的反射角，確定距離并測(cè)量出位移。激光位移傳感器輸出的4～20 mA信號(hào)通過(guò)RS232串口傳輸至工控機(jī)[6-7]。該測(cè)量元件以精密直線導(dǎo)軌為測(cè)量元件的運(yùn)動(dòng)載體，以便攜式工控機(jī)作為數(shù)據(jù)處理中心，可為板式熱交換器板片參數(shù)提供簡(jiǎn)單、高效、高精度的測(cè)量方式。

這種測(cè)量裝置最大的特點(diǎn)是激光技術(shù)的應(yīng)用。激光是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的重大科技成就之一[8]。激光掃描是一種非接觸式測(cè)量技術(shù)，與以接觸式為特征的傳統(tǒng)手動(dòng)測(cè)量技術(shù)相比，非接觸式檢測(cè)技術(shù)可以避開(kāi)被測(cè)元件，實(shí)現(xiàn)對(duì)復(fù)雜零部件的無(wú)損傷掃描與檢測(cè)[9-10]。

2.2 主要技術(shù)參數(shù)[11]

新型板式熱交換器板片參數(shù)測(cè)量裝置可用于波紋傾角、波紋節(jié)距、展開(kāi)系數(shù)、波紋深度及波紋夾角的測(cè)量，激光器測(cè)量精度5 μm、掃描速度10 kHz、線性度3 μm、分辨率1 μm，光柵尺位移傳感器測(cè)量精度5 μm。

3 手動(dòng)測(cè)量原理與激光測(cè)量原理對(duì)比

3.1 手動(dòng)測(cè)量方式

利用靠尺和修正帶機(jī)構(gòu)手動(dòng)測(cè)量板片的展開(kāi)系數(shù)操作示意見(jiàn)圖2。

圖2 人工手動(dòng)測(cè)量板片展開(kāi)系數(shù)裝置示圖

手動(dòng)測(cè)量板片的展開(kāi)系數(shù)主要分5個(gè)步驟進(jìn)行，①將靠尺置于板式熱交換器板片波紋的垂直線方向。②將放置好的帶有刻度的膠帶放到修正帶中。③將修正帶機(jī)構(gòu)緊貼靠尺，在板片上滑動(dòng)。④利用帶刻度膠帶測(cè)得節(jié)距間曲線長(zhǎng)度T0，利用靠尺測(cè)得節(jié)距長(zhǎng)度T。⑤應(yīng)用公式φ=T0/T計(jì)算展開(kāi)系數(shù)測(cè)量值φ。

3.2 激光測(cè)量方式

新型板式熱交換器板片展開(kāi)系數(shù)測(cè)量裝置示意見(jiàn)圖3。

這種裝置將測(cè)量與光波直接相聯(lián)，在不接觸被測(cè)板片的情況下，利用激光掃描傳感器，通過(guò)伺服系統(tǒng)控制激光器走位，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)焦た貦C(jī)中的專業(yè)計(jì)算機(jī)軟件進(jìn)行處理，最后得到展開(kāi)系數(shù)計(jì)算值，很容易做到光電轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的自動(dòng)分析與處理，獲得高精度測(cè)量結(jié)果[12-15]。

圖3 新型板式熱交換器板片展開(kāi)系數(shù)測(cè)量裝置示圖

新型板式熱交換器板片展開(kāi)系數(shù)測(cè)量裝置中應(yīng)用了專門開(kāi)發(fā)的數(shù)據(jù)處理軟件。此軟件將激光掃描的節(jié)距之間的曲線軌跡進(jìn)行N等分，在獲得的每個(gè)小條形區(qū)域內(nèi)，用直線段代替曲線段，最后對(duì)其求和并以和值為曲線段的近似長(zhǎng)度。測(cè)得曲線長(zhǎng)度為L(zhǎng)，節(jié)距長(zhǎng)度為L(zhǎng)′，通過(guò)自動(dòng)計(jì)算得出展開(kāi)系數(shù)φ=L′/L，測(cè)量算法使用的曲線軌跡和計(jì)算模型見(jiàn)圖4。

圖4 板片展開(kāi)示系數(shù)測(cè)量算法示圖

L的具體算法如下。

(1)

b=Δz

(2)

(3)

Li=c

(4)

(5)

式(1)～式(5)中，Δx為x軸方向激光器所走直線距離差,Δy為y軸方向激光器所走直線距離差,Δz為z軸方向激光器的采集深度數(shù)據(jù)差值，a、b、c分別為圖4中直角三角形計(jì)算模型中的2個(gè)直邊和斜邊的邊長(zhǎng)，mm；n為激光器采集數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)(由激光器采樣頻率和滑軌運(yùn)動(dòng)速度決定)。

4 板片展開(kāi)系數(shù)測(cè)試結(jié)果與誤差分析

采用標(biāo)準(zhǔn)塊進(jìn)行新型板式熱交換器板片展開(kāi)系數(shù)測(cè)量裝置的標(biāo)定。標(biāo)準(zhǔn)塊展開(kāi)系數(shù)的設(shè)計(jì)值為1.182 2，手動(dòng)和自動(dòng)2種測(cè)量方式的對(duì)比試驗(yàn)部分測(cè)量數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 板片展開(kāi)系數(shù)標(biāo)定和試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)部分

試驗(yàn)編組手動(dòng)測(cè)量值自動(dòng)測(cè)量值第1組1.1841.182 2第2組1.1851.182 1第3組1.1861.182 1第4組1.1821.182 2第5組1.1811.182 1第6組1.1821.182 0第7組1.1821.182 2第8組1.1811.182 2第9組1.1841.182 2第10組1.1811.182 1

從表1可以知道，手動(dòng)測(cè)量的10組數(shù)據(jù)誤差較大，每次測(cè)量的結(jié)果都不相同，而自動(dòng)測(cè)量的10組數(shù)據(jù)誤差較小，能夠?qū)?shù)據(jù)精確至小數(shù)點(diǎn)后第4位。激光掃描測(cè)量裝置板片展開(kāi)系數(shù)的測(cè)量誤差整體上約為0.000 2[16]。

5 結(jié)語(yǔ)

新型板片展開(kāi)系數(shù)測(cè)量裝置是熱交換器板片測(cè)量技術(shù)的創(chuàng)新和進(jìn)步，解決了人工測(cè)量誤差大、耗時(shí)長(zhǎng)、膠帶及靠尺有可能破壞板片以及半徑規(guī)無(wú)法測(cè)量梯形波等其他波形等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了無(wú)接觸、自動(dòng)測(cè)量和數(shù)據(jù)自動(dòng)處理。該裝置已在工廠投用，效果良好。