基于科研和教學協同理念的船舶換熱器試驗臺架系統開發

錢作勤

(武漢理工大學 能源與動力工程學院，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、科研與教學脫離甚至科研影響教學的現象時有發生。如何正確處理科研與教學之間的關系，努力實現兩者的協同發展已經成為高等教育需要重點解決的問題［1-4］。以本校能源與動力工程學院船舶換熱器試驗臺架系統開發為對象，就高校實驗室兼顧科研與教學的協同發展談談其技術實現。

船舶工業領域，換熱器主要用于中央冷卻器、淡水冷卻器、柴油機冷卻器、缸套水冷卻器、潤滑油和傳動油冷卻、重燃料油和柴油的預熱。考慮到輪機工程專業的專業特色，為了培養學生的認知能力和實際動手能力，建立專門的船舶換熱器實驗室。該實驗室可以對船舶上常用的多種類型的換熱器進行不同工況的試驗測試，為換熱器的相關數值模擬仿真研究提供試驗數據支持。

1 換熱器試驗臺架系統組成

板翅式換熱器因其換熱效率高和結構緊湊的特點，廣泛地應用到機械、化工和交通等行業中，應用范圍越來越寬，重要性也日顯突出。在板翅換熱器應用領域，換熱介質多種多樣，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。根據用戶需要，建立換熱器性能試驗裝置，對換熱器的綜合性能進行全面測試，為換熱器的新品開發與改進設計提供設計依據和驗證手段。

1.1 試驗臺開發軟件工具

鑒于Matlab可為測試及儀表軟件提供良好的多種經典的信號處理函數和信號分析工具，將Matlab作為測控系統的開發平臺。

1.2 系統概述

1.2.1 換熱器性能試驗系統

換熱器換熱能力的大小以及進行熱量傳遞的各路流體流動阻力的大小，是衡量換熱器好壞的兩項重要指標。其與熱介質的溫度及其流動速度有很大的關系。換熱器性能試驗，就是建立一個滿足換熱器設計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阻力，并模擬各種試驗使用條件，測試器性能指標的變換情況。構建換熱器性能試驗系統見圖1。

1.2.2 測控系統的功能和特點

測控系統的搭建是基于Matlab的GUI開發工具，利用計算機PC進行上位界面顯示，實現即時數據的顯示和各個設備的開關操作以及手動調節操作。系統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系列數據采集模塊，進行試驗數據的采集并向計算機傳輸和實驗設備的操控。

圖1 系統布置示意

系統實現集中控制，具有很強的自動調節功能。對所有設備的開停和調節，都可以在上位計算機PC中基于Matlab的GUI工具開發的操作界面中實現，是實驗操作輕松簡便，減輕了操作人員的勞動強度，大大提高了工作效率。試驗人員通過計算機顯示屏，可即時了解各種數據采集點的溫度、壓力、壓差和流量、液位數據，并以此判斷試驗所處的狀態，隨時實施人工干預。

自動調節系統利用計算機程序處理，代替了傳統的智能控制儀進行PID計算，計算結果轉換成控制信號，通過輸出模塊與轉換器輸送到各個執行設備。

2 試驗參數的測試和控制方法

2.1 測試方法

換熱器的性能參數主要有換熱量和換熱器中各介質回路的流動阻力。換熱量無法直接測量，需要通過測量溫差和流量，經計算得出。試驗中需要測量的物理量主要有流量、溫度、壓力和壓差。冷卻側水流量的測量和熱油側油質的測量，在其進出口出選取合適的壓力測量點，根據試驗條件精度要求，選擇標準直徑大小的流量測量計，根據壓力差和管口的標準直徑計算出工質流量。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，提高了各狀態參數數據采集的精度和速率，保證數據采集的準確性和即時性［6-7］。

2.2 系統數據采集

測控系統對各處理系統中的換熱介質的狀態參數實現統一的測量和控制，其硬件框圖見圖2。

圖2 系統數據采集結構組成

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、流量計以及液位計將實際測量數據的模擬信號轉換成易于傳輸的統一的標準4～20 mA的彼岸準電流信號傳給ADAM5000系列模塊集的對應模塊上，如溫度信號傳給ADAM5013模塊。計算機通過串口與數據采集模塊進行通信。計算機時鐘控制系統定時發出數據采集命令，數據采集儀接到命令后，執行一次掃描，并將采集到的一組數據打包，即時向計算機傳輸。計算機接受到的數據后，經過分解轉換成為相應的物理量，顯示于上位機監控界面上。

測得的流量計和驅動電機的變頻器，利用一條485數據線，通過RS232/RS485轉換器和接口實現與上位計算機的通信，實時向計算機返回數據，并受計算機控制。流量計的數據采集由計算機控制定時進行，變頻器的運轉與數據輸出由人工操作，兩路設備的通信在程序中實現交替工作模式。在通信線路被其它設備占用時，設備的通信將執行等待指令，等待線路空閑后，在實施通信。保證通信線路在任一時間內，只被通信線路而產生沖突。

2.3 工況的調節與控制

計算機采集到數據后，隨即進行分解，將其中需要控制的溫度、壓力、流量等參數與設定參數進行對比，進行比例積分微分計算，計算結果直接輸出至調節設備進行調節。數據采集［8-10］有一定的時間周期，將數據采集、PID計算與輸出調節在一個循環程序中，數據采集后即時進行計算、輸出、調節，這樣保證了調節的即時性，可減少試驗參數因調節之后而造成的波動，控制效果好。

在需要調節的各參數中，流量的調節通過改變驅動電機的轉速實現，溫度通過調功器進行調節加熱量，液位只作指示作用，不需進行調節。

2.4 試驗參數、數據記錄以及文件保存

為使系統可針對多種換熱介質進行試驗，需要在系統中設定多種試驗參數。通常情況下，試驗周期較長，而且需要對某一產品進行多次試驗。在試驗程序中，設計有試驗參數的保存與調用程序，為試驗提供方便、簡化了試驗操作;同時又可以避免因人為因素造成的參數設定的不一致，保證了重復性試驗的一致性。

試驗數據記錄和試驗中諸如試驗產品信息、流量測量等的選擇信息，PID參數設定等，都采用文件的方式進行保存和調用。試驗數據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存于計算機中，生成實驗報告時，可調用相應的文件。程序可自動生成統一的格式記錄報告。

2.5 操作界面

此測控系統的操作界面較多，引導界面為系統的功能分支銨鈕，包含參數設置銨鈕、試驗監控銨鈕、數據處理銨鈕，點擊后可分別調用這三部分的監控界面;主操作界面為監控系統的布置圖以及相應位置的各個儀表和調節控制銨鈕等;輔助界面包含個中儀表選擇和通道設置，以及監控圖表和處理曲線等。啟動系統后，首先進入一個引導界面，操作者根據實驗需求和工況條件，進行參數配置和選擇，設定完成后進入主操作界面，系統啟動運行，在主界面中可以實時查看各儀表的測量參數和控制參量。試驗參數設定和PID調節板兩界面在退出時，設定的參數自動保存與計算機文件中，為使用者提供方便。系統監控界面主視圖見圖3。

圖3 系統監控界面主視圖

3 科研和教學的協同應用

傳統的實驗室教學偏重對理論的驗證，束縛了學生的思維，容易降低學生的積極性［11］，為改變過去教學實驗過程中的驗證性思維模式，在教學過程中增加設計性、創新性、綜合性實驗項目，既可以激發學生的創造性思維，提高教學成果;同時，實驗結果可以為科學研究提供數據參考，促進科研的發展。這樣的發展模式對于科研水平的提高和教學成果的取得都有積極的意義。

換熱器性能參數試驗臺用于測量換熱器的性能，通過試驗測量介質不同的溫度和流速下換熱器的總換熱量、總傳熱系數K、壓力降ΔP以及這些參數與流體流速的關系，并可以根據實驗結果，比較不同類型換熱器的工作特點和應用范圍。傳統的換熱器試驗臺架測試系統由獨立的儀表組成，需要人工讀數和計量，測試結果的實時性和準確性差，離散度大，可比性不強，為實驗教學和科學研究帶來了困難［12］。隨著傳感器性能的提高和測試技術的不斷完善，本系統一方面提高了本科生的實踐教學效率，同學們能更熟練地掌握換熱器性能參數，單組實驗效率提高;另一方面，研究生的科研實驗創新性得到開發，試驗參數對比范圍更廣;同時，在計算機仿真分析的結果驗證方面，試驗結果和仿真結果更一目了然。

4 結論

1)改革試驗課程設置。基于動手能力和創新思維的培養，加大設計性試驗的比重，在各試驗前，學生結合相關的專業知識，對影響換熱器傳熱性能的參數進行設置，確定各個物理量的大小，根據自己的分析提出設計試驗方案，試驗過程中在Matlab界面輸入各參數的值，進行試驗，觀察分析結果并保存數據，以便供研究生對不同參數進行對比，其實這本身就是科研實踐的一個環節。

2)創新教學方式方法。在試驗的教學過程中，組織研究生進行指導，一方面加深交流，為參數的優化提供思路;另一方面，試驗對不同的參數進行對比，可從中選出對性能較好的數據。

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