北京建筑工程学院热质交换设备（散热器）性能实验台

2009年01月20 00:00:00 来源：中国制冷空调技术网

摘要北京建筑工程学院散热器性能实验台始建于1985年，由于设备老化过时急需更新，为此我院于2005年对该实验台进行了彻底的改造。除对热水系统、冷风系统改造外，核心是对自动控制系统的升级换代。新系统采用了多家公司的产品和先进技术，自控软件采用了KW2000工控软件。经测试，新实验台具有良好的自控能力，各方面性能有了明显的提高，实验精度满足国家标准。

0 引言

北京建筑工程学院散热器实验台始建于1985年，坐落于城市建设工程系实验楼内，是完全按照国际标准ISO3148―1975和国家标准 GB/T13754－92建造的。从建成到现在近20年中，此实验台在科研和教学两方面都发挥了巨大的作用。此间散热器实验台的国际、国家标准基本没有变化，但是随着科技的进步，新的硬件、软件不断推出，加之设备的老化，设备运行耗时，耗电，耗人力等问题，此实验台逐渐丧失了生命力。为了实验教学和科研的需要，我系于2005年对实验台进行了改造，改造后的实验台又焕发出了新的生命力。

1 改造方案

1.1 原实验台暴露出来的问题

（1）为实验台供冷风的空调机组已经使用多年，设备陈旧，影响了实验效果。

（2）实验台的控制、记录仪表老化，控制效果下降；系统自动化水平低，实验工作人员的工作量大。

（3）水系统管路腐蚀老化严重，影响了实验正常进行。

（4）实验数据需要人工计算处理，速度慢，产生误差的可能性大。

1.2 改造方案

考虑到在北京市和天津市已有多所高校和科研单位拥有散热器测试平台，其中清华大学和建筑科学研究院的两处实验台是国家指定的测试实验台，所以我院散热器实验台改造后的定位是教学和科研。

为了节约资金，我们将改造重点放在了水系统和自控系统上。我们对水系统和自控系统进行了彻底改造，没有改造冷风系统和风冷小室，冷风系统利用的是其他实验现有资源。改造后的系统图见图1。

2 硬件系统改造

2.1 热水系统

改造后的热水系统主要由高位水箱、低位水箱、小水箱、散热器、流量传感器、水冷器、浮子流量计、电子秤、水泵等组成，详细内容见表1。

2.2 冷风系统

冷风系统采用“中法能源培训中心”的水冷式冷水机组和空调机组，此套系统带有冰蓄冷装置，可以在白天开水冷机组蓄冷，晚上只开空调机组，这样就避免了夜间噪音扰民，又保证能够24小时供冷风。虽然空调机组的额定风量只能达到5000m3/h，低于理想值7000m3/h，但经过改造后的实验测试，此风量是完全可以满足实验要求的。

2.3 密闭小室

原先的密闭小室由钢板制成，内部尺寸为4.0m×4.0m×2.8m，完全按照国际标准建造。六个壁面的冷风夹层厚度为5.5cm，小室安装于混凝土房间内，房间壁面加保温层，这样可以减少回风的冷量损失，降低空调机组的负荷；同时也可以减少室外温度波动对小室温度的影响。经评估，实验小室依然可以继续使用，没有对其进行改造。

2.4 控制系统

在散热器的热工性能试验中,需要控制的部分主要是水温的控制和室内温度的控制。整个系统的稳定是一个动态平衡,当室内散热器散出的热量与冷风系统的冷量保持平衡时,就可以保证室内温度的稳定。由于温度精度要求很高,所以其控制过程采用微机控制来完成。

2.4.1 散热器进口水温控制系统

试验中,散热器进、出口的水温稳定,主要由电加热器控制。电加热器置于高位水箱和小水箱中,其中高位水箱中设有粗调加热器,功率26kw，三相供电，由智能PID调节器加调功器自动控制加热量，从而实现对温度的自动控制。为了防止水温在输送过程中波动较大，我们在供水管道的小室入口处加设了小水箱，小水箱中设有二次加热器,加热功率1.5kw，同样采用自动控制,保证散热器供水温度的稳定,实测效果散热器入口温度波动范围小于0.1℃，满足要求。

2.4.2 测试小室室内空气温度的控制

室内空气温度的控制,是通过对壁面冷却系统的风温控制来实现的。实验所用的冷风由空调机组提供，送风温度、风量可调节。在冷风风道的小室入口前，设有两个补偿加热器,功率均为1.5kw，这两个加热器同样由智能PID调节器加调功器自动控制加热量，仪表根据加热器后的测温值调节加热量，保证输入冷量的稳定。

2.5 检测系统

散热器热工性能测试中的参数检测分为温度检测和流量检测,参数测量的准确性对试验结果的影响是极其重要的。国家标准中对基准点空气温度和散热器进出口温度测量精度要求是±0.1 ℃,热媒流量测量的精度要求是±0.5 %之内,其余各点温度(壁面温度及除基准点以外的各点空气温度) 测量的精度要求是±0.2℃[2 ] 。针对上述参数的测量精度要求,研制了以计算机为核心的自动检测系统,它完成温度自动巡回检测、流量采样、稳态判断等功能[3 ] 。测量系统简图如图2 所示。

2.5.1 温度检测

温度测点数量为25个点，其中4个水温测点，21个气体温度测点，详细说明见表2。其中小室内的19个空气测点采用“一线总线”技术。这项技术允许19个温度传感器串联在同一条总线上，每一个温度测点都拥有一个地址，通过单线协议实现与上位机的通讯。

2.5.2 流量检测

流量检测采用流量传感器，通过信号转换模块实现与计算机的通讯。在回水管道上还设有3个不同量程的浮子流量计，可以现场读取流量数值。

流量检测还可以通过称重法实现，由于称重法可以直接获得流体质量流量，而且测量时间长，所以是最准确的流量测量方式。测试时由电磁阀切换回水通路，两条管路的阻力特性一致，避免了切换管路时由于阻力变化影响系统稳定。电子秤带有计算机通讯口，计算机可以直接读取称量数据，并根据时间计算出水的质量流量。

3 软件系统构成

根据ISO 标准规定,散热器性能测试必须在稳态条件下进行,稳态条件主要包括温度稳态和流量稳态。ISO 标准规定的稳态条件如下[2 ] :至少连续6次等间隔的测值与它们的均值最大偏差不超过下述指标:

基准点: ±0.1℃

进出口水温: ±0.2 ℃

其它点: ±0.3 ℃

散热器后测点: ±0.5 ℃

热媒流量: ±2 %

整个散热器热工性能试验过程是一个很复杂的过程,包括25个温度点的测量、稳态的判断、流量的采集、数据的处理。为了精确和高效地完成上述所有功能,采用通用监控系统支持软件ControX2000版,进行温度和流量的检测以及数据的处理,极大地提高了测试的准确性和速度。并且拥有可视化的界面,便于人机交流[4 ] 。它可以很容易地实现数据库操作和通讯操作,结合模入模出接口板,可以实现自动测试的所有功能。

3.1 软件功能要求

(1) 数据采集:要求巡回采集25个温度点的即时温度,并且保存到数据库中。

(2) 数据显示:要求通过文本格式在界面上直观显示出当前的温度值,并且具有温度历史报表、温度即时曲线、温度历史曲线等功能。测试人员能够很容易地掌握室内温度场的状态。

(3) 稳态判断:根据采集的温度值,自动判断是否达到稳定状态。如果判断检测量已达到稳态条件,界面上显示出稳态标志。

(4) 测试功能:测试人员设定流量采集时间,程序自动实现电磁阀的切换。自动采集电子天平的重量数据,并将测试工况的时间、温度值、流量、散热量等数据写入数据库。测试时,随时监测电子天平的重量数据,经过程序判断,当重量超过一定值时自动切换回路,可以避免出现流量采集容器溢出从而造成仪器损坏的问题。

(5) 数据处理:根据三个测试工况的温度值和流量,程序按最小二乘法进行回归,得到散热量和散热温差的拟和曲线,并且按照回归方程分析方法对回归结果的可靠性做出分析。

(6) 打印功能:将测试结果和分析结果通过打印机打印出来。

(7) 扩展功能:本软件与组态软件相似，具有功能全面的系统插件，测试人员可以根据测试要求进行功能扩展，满足不同实验的要求。

3.2 界面和功能说明

（1）主界面窗体

如图3所示：1 为系统菜单，单击后可进入不同子窗体，包括历史曲线、实时曲线、实验指导、实验报告等；2 为仪表手动控制子窗体，通过此窗体可以对4块PID仪表的主要参数进行手动调整；3单击此按键将弹出子窗体，窗体显示18个温度参考点的温度值；4 上水箱液位报警指示灯，上水箱液位如果低于要求值，此指示灯将亮起，同时发出警报声；5 在此窗口设定热水温度、冷风温度值；6 数据保存路径；可手动修改数据库，实验报表的存储位置；7 显示各测温点的温度值；8 循环水流量显示；9 基本参数输入；10 系统稳定指示灯。根据规范要求，系统在至少六次连续时间间隔上（总时间不少于1h）的取值与所取平均值的波动偏差不超过规定的偏差时，即认为系统已达到稳定。软件将根据此要求自动判断稳定条件

图3 主界面窗体

（2）电子秤实验子窗体

利用电子秤进行称重法是流量测量中最准确的方法。为了方便实验人员进行操作，我们设置了电子秤实验窗体，实验员首先输入测量时间，然后点击“开始测量”，两路水管上的电磁阀将自动切换并记录称重时间，设置时间到达时，系统自动切换水路。稳定一段时间后，系统将读取电子秤读数，并根据测试时间计算出流量。如果测试时间过长，水量达到电子秤上限，系统会报警，并自动切换电磁阀，防止电子秤损坏。

（3）数据库

当系统达到稳定后，实验员点击“记录数据”，系统将开始记录数据，实验数据将同时储存到系统自带的数据库和Access数据库中，系统自带数据库的数据用于生成历史曲线和进行数据分析；Access数据库中的数据方便实验人员查看和方便其它软件调用。

（4）实时曲线和历史曲线子窗体

此软件自带“实时曲线”和“历史曲线”窗体插件，其功能全面，便于操作，界面美观，实时曲线窗体将显示即时数据，以动态的形式画出温度、流量随时间变化的曲线；历史曲线窗体可以根据实验人员的要求显示出相应时间段的温度、流量随时间变化的曲线。

（5）实验报告子窗体

实验结束后，实验报告子窗体将自动调用各个工况[2]的稳定数据组的平均值，然后应用最小二乘法对数据进行处理，计算出散热器的性能参数，显示于结果一栏中。实验报告将保存为Excel表格形式，保存后可以打印。

（6）实验指导和实验步骤子窗体

单击“实验指导”按键，将会打开实验指导书，指导书对本实验进行了细致的说明，可以使读者对本实验有一个全面，详细的了解。“实验步骤”子窗体，列出了实验操作步骤，供实验人员使用。

4 改造效果

实验台改造后已经进行了测试，测试结果证明新实验台完全符合国家标准。相比改造前：

（1）冷风风量和冷量稳定，系统达到稳定所需要的时间大大减少。

（2）新采用的水温控制系统调节能力强，精度高，加热到指定温度快。