一種采暖散熱器熱工性能檢測水溫流量控制系統的開發

張映光，盧智濤

（1. 廣州蘭石技術開發有限公司，廣州 510000；2. 廣東省制冷學會，廣州 510080）

1 現狀背景

用目前采暖散熱器熱工性能檢測水溫及流量控制系統大多采用通過一次加熱水箱、高位恒壓水箱、二次加熱水箱和三次加熱水箱，三次加熱水箱通過夾層空氣調節系統與密閉樣品測試室的進水口連接，密閉樣品測試室依次經過過濾閥、壓力表、手動調節閥、流量計、PID流量控制器、流量測量系統最后回到一次加熱水箱繼續循環。

以一個散熱器熱工性能檢測為例子，首先需要對配置大功率加熱器的一次加熱水箱進行快速加熱，加熱到靠近目標進水溫度，通過水泵抽水到高位開放式水箱，然后直到水箱溢水后再流到二次加熱水箱，經過二次加熱水箱配置的中等功率加熱器進行二次加熱，最后到三次加熱水箱進行最后的微調加熱后再把水直接送到被試件（采暖散熱器）。采用以上測試設備方案有以下幾方面不足：

1. 需要多達4個測試水箱，需占用實驗室設備區較大的空間，同時高位水箱由于需實現穩壓功能，也需將高位水箱安裝在4米以上的高度，這就需要較高的設備區；

2. 測試過程中需要對每個水箱的水溫進行逐個的加熱，在這個過程中浪費的大量電能的消耗同時需用戶為測試系統配置較大的接入電容量；

3. 經過三次加熱水箱微調后的高溫水直接送入被試件，在這個過程中，由于流經被試件的水流量小，流速低，導致調節滯后，造成工況波動大，穩定時間長；

4. 取樣稱重時由于管路切換導致流量不穩定。

為了克服設備占用實驗室空間大、測試過程中水溫控制時間過長、水溫控制偏差大、流量不穩、運行能耗高、投入成本高的缺陷，作者對測試系統中的水溫及流量控制設備及控制方法進行改造，通過直接在管路進行大流量循環技術代替水箱循環系統，可以減少系統加熱時間，同時又能減小水溫調節的波動；管路加熱器配置大小兩組可調功率電加熱器可以對不同換熱能力的被試件進行溫度的精確調節；采用測控分離技術解決小流量、低流速引起的調節滯后問題；系統在工況調節過程中的流量循環與工況穩定后的取樣稱重過程采用開放式系統，解決由于管路切換過程中因系統壓力變化導致的流量不穩問題，通過這些措施達到減少運行能耗和提高測量精度的目的。從試驗結果看，采用本系統，散熱器熱工性能檢測試驗室的水溫及流量控制系統中，測試時間比原來減少達到40%以上。

2 系統介紹

本文開發的采暖散熱器熱工性能檢測水溫、流量控制系統的原理圖如圖1：

圖1 系統原理圖

其中：1-變頻水泵，2-第二電磁閥，3-第一電磁閥，4-散熱盤管，5-管路加熱器，6-旁通閥，7-控溫傳感器，8-進水溫度傳感器，9-被試件，10-出水溫度傳感器，11-流量計，12-電動二通閥，13-循環電磁閥，14-取樣電磁閥，15-開放式集水箱，16-放水電磁閥，17-電子秤，18-低位水箱，19-定位浮子，20-抽水泵，21-高位補水箱，22-補水，23-流量控制儀。

2.1 流量系統回路

1、循環回路：循環回路由變頻水泵1、電磁閥3、管路加熱器5、被試件9、流量計11、電動二通閥12、循環電磁閥13、低位水箱18、抽水泵20、高位水箱21組成。該回路提供穩定工況需要的水溫及流量。

2、取樣回路：取樣回路由變頻水泵1、電磁閥3、管路加熱器5、被試件9、流量計11、電動二通閥12、取樣電磁閥14、集水箱15、放水電磁閥16、低位水箱18、抽水泵20、高位水箱21組成。該回路在測試工況穩定后提供取樣稱重工作。

2.2 溫度控制回路

溫度控制回路由變頻水泵1、電磁閥3、電磁閥2、散熱盤管4、管路加熱器5、旁通閥6組成大流量循環回路；由變頻水泵1、電磁閥3、管路加熱器5、被試件9、流量計11、電動二通閥12、循環電磁閥13、低位水箱18、抽水泵20、高位水箱21組成測試回路。當系統需要升溫時，大流量循環回路由變頻水泵1、電磁閥3、管路加熱器5、旁通閥6組成；當系統需要降溫時，大流量循環回路由變頻水泵1、電磁閥2、散熱盤管4、管路加熱器5、旁通閥6組成。大流量循環回路采用管路大流量循環控制技術，模擬混合水箱，提供穩定、高精度的進水溫度。

2.3 穩壓穩流系統

穩壓系統由流量計11、流量控制儀23、變頻器24、變頻水泵1、電動二通閥12、循環電磁閥13、低位水箱18、取樣電磁閥14、集水箱15組成。該系統可保證在循環回路與取樣回路間來回切換，不會因壓力的變化導致流量波動，從而影響系統的測試精度。

2.4 回水控制回路

回水控制系統由低位水箱18、定位浮子19、PLC27、抽水泵20、高位補水箱21組成。該系統可以保證由于取樣稱重需要，在將取樣回水送回系統時，不至于造成系統流量及溫度的波動。

2.5 控制測量軟件

為使檢測控制系統能正常地應用，完成測量和控制系統的操作以及子系統的運行共同完成測試被試機的任務，作者專門開發了一套控制及測量軟件。軟件通過與控制柜、采集模塊的通訊，完成系統使用的目的。

圖2 控制測量軟件界面

3 功能實施說明

本文介紹系統是一種節能型工況調節系統，包括流量調節模塊和溫度調節模塊：

3.1 流量調節模塊

流量調節模塊包含循環回路調節模塊及取樣回路調節模塊。

循環回路調節模塊包括安裝在被試件9后端的流量計11、電動二通閥12、與流量計11相連的流量控制儀23、以及與流量控制器相連的變頻器24及變頻水泵1。在變頻水泵1的流量選型上，流量值選所測最大被試件額定流量的4倍以上，以達到模擬混合水箱的目的；

流量計11與流量控制儀23的輸入相連接，通過把實際測量到的流量信號傳入流量控制儀23，經過與測控軟件自動寫入流量控制儀23的目標流量值相比較，流量控制儀23通過PID自動演算，在第一路輸出信號上輸出4-20mA信號到變頻器24，變頻器24再控制變頻水泵1的轉速，從而控制水路水流量的大小達到所需要的設定值。

電動二通閥12通過與流量控制儀23的第二路輸出轉輸出相連接，利用流量控制儀23中的目標值轉輸出功能，將測控軟件寫入的目標值轉化為4-20mA信號，控制電動二通閥12的開度，保證在不同流量時，變頻水泵1的輸出值在60%-100%之間可調，為溫度控制循環回路提供較大的流量，加快溫度調節的快速響應及增強溫度調節系統的穩定性。

取樣回路調節模塊由測控軟件、循環電磁閥13、取樣電磁閥14、放水電磁閥16、集水箱15、低位水箱18、水位浮子19、可編程控制器PLC27、抽水泵20、高位水箱21組成。系統在穩定工況過程中，由測控軟件發出指令通過PLC27打開循環電磁閥13，關閉取樣電磁閥14，循環水通過循環電磁閥13流入低位水箱18中；當系統工況穩定后需要取樣稱重時，由測控軟件發出指令通過PLC27打開取樣電磁閥14，同時關閉循環電磁閥13，系統水流向集水箱15中，在指定時間內完成取樣水后，再由測控軟件發出指令通過PLC27打開循環電磁閥13，同時關閉取樣電磁閥14，切換回循環回路中。通過本方法由于電磁閥切換時的水都是通過大氣后再流到集水箱15或低位水箱18中，因此同時切換循環電磁閥13、取樣電磁閥14時，不會對系統壓力造成大的影響，因此基本不會引起系統流量的波動。

當流經低位水箱18中的水位達到水位浮子19的高限位時，上位浮子信號傳入PLC27中，通過PLC27的輸出，控制抽水泵20抽水到高位水箱21中；當水位抽到浮子信號的下限位時，通過PLC27停止抽水泵20工作，通過這樣的方式來實現水系統的循環過程。

3.2 溫度調節模塊

溫度調節模塊包括安裝在大流量循環回路中控制溫度傳感器7、溫度控制儀25、調功器26、管路加熱器5 控制溫度傳感器7及進水溫度傳感器8組成。

控制溫度傳感器7與溫度控制儀25的輸入相連接，通過把實際測量到的溫度信號傳入溫度控制儀25，經過與測控軟件自動寫入溫度控制儀25的目標溫度值相比較，溫度控制儀25通過PID自動演算，輸出4-20mA信號到調功器26，調功器26再控制管路加熱器5的功率，從而達到控制水溫的目的。

根據標準要求，完成一次標準測試需要先進高溫度工況，再中溫工況，最后低溫工況三次測試。在測試過程中，為了減小漏熱損失及快速降溫，系統設計了管路散熱盤管4及相應的控制電磁閥2、電磁閥3。在做第一次高溫工況時，關閉電磁閥2及散熱盤管4的風機，打開電磁閥3，管路加熱器5完成升溫調節過程。當高溫工況完成后需要快速降溫時，關閉電磁閥3及管路加熱器5，打開電磁閥2及散熱盤管4的風機，達到快速降溫的目的；當溫度降到需要的工況溫度以下時，再關閉電磁閥2及散熱盤管4的風機，打開電磁閥3，管路加熱器5，完成工況的再次調節過程。

為了對不同容量的被試件9達精確達到控溫目的，管路加熱器5分為大小不同功率的兩組加熱器，同時由溫度控制儀25自動控制，可以組成只開啟一組小功率加熱器、只開啟一組大功率加熱器或兩組加熱器同時開啟3種方式，這樣在同一PID輸出值的情況下，有不同加熱量的輸出，對于小容量的被試件9，可以減小PID超調量現象的發生，使溫度調節更加精確。分組原則，小組功率為大組功率的一半，大小組總功率和超過最大被試件所需要的熱量。

目前常規測試方法中，通常用進水溫度傳感器8直接控制系統進水溫度，由于采暖散熱器在測試過程中流量小、流速低、反應滯后，導至工況波動大、穩定時間長問題，為了解決這個問題，系統溫度控制采用管路大流量循環技術加測控分離方案。即在管路大流量循環回路中通過大流量循環，加快溫度的響應過程，使工況能快速穩定；同時在測試回路中增加進水溫度傳感器8，傳感器8直接安裝在被試件9的進水口處，在測試過程中，通過測控軟件自動采集、比較進水溫度傳感器8與溫度傳感器7的溫度差值，再將這個差值自動寫入溫度控制儀25的偏差值中，使進水溫度最終達到所需要的工況值。

4 結論與展望

文中所述實施例僅為本系統若干實施方式中的一種，并非對本系統構思的限定，在不脫離本系統設計思想的前提下，本領域中的工程技術人員亦可對本系統的技術方案作出的各種變型和改進，達到更多的功能與更好的效果。