基于熱成像法的散熱器管路臟堵檢測

文 | 陳少敏，董紅云，湯騰蛟，何貽春

散熱器內部管道較為細小，由于冷卻液污染或使用不當，會使散熱器細小管道內部管壁發生垢污附著，嚴重時會發生管路堵塞現象。傳統的應用壓力測量和流量測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），操作費時費力，給散熱器早期檢修及預防更換帶來困難。根據熱力學，絕對溫度在0 K以上的物體，都會因物質內部的分子運動而熱輻射出紅外線，利用熱成像儀即可對物體的溫度場進行非接觸式判斷，以此了解物體表面或內部情況。目前，熱成像已在軍事、工業、汽車輔助駕駛、醫學領域以及風電行業電氣檢修都有廣泛應用，但在風電行業散熱器檢修領域應用極少。本文主要研究不同缺陷物質對散熱器溫度場的影響原理，分析總結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的溫度變化規律，利用熱成像技術進行分析，精確定位散熱器的臟堵位置及類型，結合風電領域散熱器的不同臟堵嚴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，對提高風電行業散熱器檢修效率，預防散熱器堵塞可行性，確保風電機組散熱器可靠性、提升業主發電量具有重要意義。可推廣至液冷和液壓系統的各個領域的設計、檢修環節。

散熱器管路臟堵類型

冷卻系統一般有水泵、管路、待冷卻部件（電機、變流器或柜體等），往往存在鐵、鋁、甚至銅等金屬元素，為原電池反應提供了發生條件；而冷卻液加注不當，使油脂類等雜質混入冷卻系統，這些都增加了散熱器臟堵發生的可能性。根據散熱器臟堵的情況，可以分類為污垢附著和堵塞兩種情況。

一、垢污附著

早期時，原電池反應及污染的冷卻液導致銹垢和油垢在散熱器微小管道內部附著，易發生于管路彎頭、細管入口等冷卻系統的高壓側。發生垢污附著時，散熱器散熱性能會小幅下降，但因散熱設計時留有余量，不影響部件散熱，難以引起檢修人員的足夠重視。對于發生垢污附著的散熱器，通過針對性的清洗可以恢復其散熱性能。

二、堵塞

隨著系統運行時間增加，冷卻液污染程度加重，原電池反應加劇，銹垢和油垢聚集，附著部位的管路發生堵塞。此時散熱器散熱性能大幅下降，冷卻液溫度升高，無法滿足部件的散熱要求，進而發生部件過溫現象。因散熱器管路微小及內部水道并行布置，一般堵塞的散熱器難以清洗干凈，需要更換散熱器。

紅外熱成像技術原理

根據熱力學理論，凡是絕對溫度在0 K以上的物體，都會因物質內部的分子運動而熱輻射出紅外線。而紅外熱成像儀就是根據物體的這一特性，采用非接觸方式探測物體紅外能量，并將其轉換為電信號，進而在顯示器上生成熱圖像和溫度值，并利用相關軟件對熱圖像及溫度值進行計算的檢測設備。

紅外熱成像技術的特點：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

紅外線是物質熱輻射產生的，其熱輻射能量的大小，與物體表面的溫度有關。當管道內部為非均質體（或存在缺陷），通過熱流時，其反應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 無缺陷物質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，對無缺陷的物體，其管路表面的熱輻射能量分布基本是均勻的，如果管路內部發生缺陷，在缺陷處熱輻射能量分布將發生變化。對于隔熱型的缺陷（如銹垢、油垢、泥垢等），其管路表面因熱流能量傳導減緩導致管路表面發生 “冷點”；而對于導熱型的缺陷（如銅等），其管路表面因熱流能量傳導加快導致管路表面發生“熱點”；對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生明顯區別：堵塞型缺陷管路缺陷處后段熱輻射能量發生一個階梯性驟減，而垢污附著型缺陷管路因熱流仍能通過，其缺陷處后段熱輻射能量與缺陷處前段熱輻射能量無明顯變化。

圖4 鋁翅片散熱器管路構造圖

熱成像技術在散熱器管路臟堵檢測中的應用

紅外熱成像儀就是將物體發出的不可見紅外能量轉變為可見的熱圖像，熱圖像上的不同顏色代表被測物體的不同溫度，可以通過熱圖像的溫度分布找出異常溫度點，對散熱器管路臟堵位置及類型進行判斷。

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備，由具體整體構造（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，相鄰的兩個管路間設置并排錯開的翅片，將管路冷卻液吸收的熱量散發到空氣中，達到換熱的目的。而從散熱管路解剖圖可以看出，管路內部設置并排錯開的翅片進行加強換熱。

操作方法為用熱成像儀正對散熱器表面，啟動水泵，對散熱器進行拍攝，觀察3～5分鐘，利用熱成像圖像對散熱器管路臟堵進行檢測分析，結合散熱器臟堵處理經驗提出解決措施。

以新能源盤錦某風電場1650kW型3#、14#、4#、11#風電機組的水冷鋁翅片散熱器為檢測對象，用Fluke的銳智TI400熱成像儀為檢測工具，對熱成像技術在散熱器管路臟堵檢測中的應用進行闡述。

一、正常（無缺陷物質）散熱器管路熱成像

正常現象：啟動水泵時，散熱器的溫度場從散熱器左邊散熱器進水管的并列水道均勻推向右邊散熱器回水管，且在5min內全部完成，即散熱器溫度場均被紅色覆蓋，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：水泵啟動后，熱的冷卻液（紅色）逐步從左至右覆蓋整個散熱器表面，見圖6。說明散熱器無臟堵情況，散熱性能良好。

處理措施：無需處理。

二、垢污附著型缺陷散熱器管路熱成像

缺陷現象：啟動水泵時，散熱器的溫度場從散熱器左邊散熱器進水管的并列水道均勻推向右邊散熱器回水管，且在10min內完成，即散熱器溫度場絕大部分被紅色覆蓋，只有個別區域存在斑點區域或豎斷面區域，斑點區域或豎斷面區域為垢污附著位置及附著量的范圍大小。

圖像分析：水泵啟動后，熱的冷卻液（紅色）逐步從左至右覆蓋整個散熱器表面，但局部區域存在明顯的斑點（圖中黑框內區域），見圖7。說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：用對散熱器無損傷的針對性清洗劑清洗散熱器，至散熱器管道熱成像無局部斑點區域為止。

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#風電機組散熱器）

圖8 垢污附著型缺陷散熱器管路熱成像——豎斷面型（4#風電機組散熱器）

圖7 垢污附著型缺陷散熱器管路熱成像——斑點型（14#風電機組散熱器）

圖9 堵塞型缺陷散熱器管路熱成像——橫斷面型（11#風電機組散熱器）

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

處理措施：用對散熱器無損傷的針對性清洗劑清洗散熱器，至散熱器管道熱成像無局部豎斷面區域為止。

三、臟堵型缺陷散熱器管路熱成像

缺陷現象：啟動水泵時，散熱器的溫度場從散熱器左邊散熱器進水管的并列水道未均勻推向右邊散熱器回水管，且在5～10min內未完成，即散熱器溫度場只有部分被紅色覆蓋，只有個別水道連通，大部分水道阻斷，則散熱器堵塞。

圖像分析：水泵啟動10min后，散熱器管路只有部分紅色區域從左至右覆蓋整個散熱器表面，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色，形成一個個橫斷面（見圖9）。說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：用對散熱器無損傷的針對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仍無法消除橫斷面，說明散熱器管道堵塞部位無法洗通，需要更換散熱器。

結論

本文通過研究不同缺陷物質對散熱器溫度場的影響原理，分析總結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的溫度變化規律，提出可行性及準確性高的基于熱成像法檢測散熱管路臟堵的方法。此法首先能夠提高散熱器檢修效率，提升服務質量；其次，該方法判斷散熱器臟堵情況及預防散熱器堵塞可行性強，對于確保風電機組散熱器可靠性，提升業主發電量具有重要意義。