换热器试验台控制系统设计要求综述Word下载.docx
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用步进电动控制阀门开度，在电脑操作界面设置开关，并显示阀门开度状态。
排风阀和新风阀是同方向调节，排风多则进新风也要多；
回风阀则与排风阀和新风阀反向调节，即需要空气进口温度升高时，排风阀和新风阀关小，而回风阀开大。
2）数据采集
该系统需要采集的数据有：
风流量、相对湿度、试验件风侧进出口温度和压差。
风量测量采用3个不同口径的可更换“空气流量测量站”[通径分别为28”（660mm）,13”（330mm）,6”（152mm）]，如表1和图3，配合大小2档微差压传感器方案（覆盖40Pa-1000Pa），使微差压传感器读数总是处于有效量程范围。
根据微差压数值结合所选择的流量站通径转换为流量值。
表1空气流量测量站选型
D（inch）
D（mm）
最大流量（m3/h）
最小流量（m3/h）
26
660
53024
11098
13
330
13256
2775
6
152
2824
591
图3空气流量测量站进出口接管方案示意图
风洞进口室前段设置工件后静压测点，在整流混合装置后设置工件后温度测点；
温度测量通过取样风机吸取耙型取样管分布截面上的平均值来实现；
在风洞进口室前还配置进口截面为1000mm×
800mm和400mm×
400mm2个可拆换过渡段，并在其四周也都设有静压测点。
试验时根据工件尺寸选择合适的过渡段，并连通相应的测点。
在试验件的上游设置整流装置、工件前温度、相对湿度测量装置和静压测点组合的进口整流装置小车。
温度测量值也是通过取样风机吸取耙型取样管分布截面上的平均值获得。
二、压缩空气循环系统
压缩空气循环系统用于压缩空气冷却器（包括中间冷却器）的性能测试，该系统采用闭式循环（如图4）。
在工作范围内的任何压力下最大通流量都是体积流量6m3/min，最高工作温度200℃，系统最高工作压力0.8MPa（此时的流量为48Nm3/min）。
系统包括稳压、恒温和流量调节装置，用于保持压缩空气冷却器的试验所需的压力、温度和流量参数的稳定。
系统采用以3MPa压缩空气源，经0.5m3储气罐和减压阀给系统供气，使循环系统获得压力，同时以耐高压循环压缩机提供克服流动阻力的压头，通过电加热器升温，给试验件提供高温高压空气。
按照最大压缩空气循环流量45Nm3/min，温升120℃计算，所需加热功率为110kW。
扣除循环压缩机加入系统的部分功率，电加热功率配备108kW。
系统的工作压力的控制调节采用稳压器配合电磁阀完成。
稳压器内的压力介于循环压缩机进出口压力之间，稳压器有2根电磁阀控制的管线分别与循环压缩机的进出口连接。
当系统压力偏高时，开启连接压缩机出口的管线，使回路中的部分气体转移到稳压器内，从而使系统压力恢复正常；
反之，当系统压力偏低时，开启连接压缩机入口的管线，使稳压器中的部分气体转移到回路内，亦可使系统压力恢复正常。
若系统压力超出稳压器可调整的范围，则需要动用电磁阀控制的补气阀或排气阀。
图4压缩空气系统流程示意图
本项目的循环压缩机将采用YSR150罗茨风机改制。
循环风量调节采用变频器实现。
循环压缩机额定转速1500rpm，电机额定功率55kW。
电加热器最大加热功率108kW，由36个3kW的U型翅片管电加热器元件组成，电加热器分为4组，功率分别为27、36、27、18kW。
第一组为可调，其余不可调。
电加热器的筒体尺寸为φ480×
6×
2000。
压缩空气系统对试验件前后的温度、压力参数进行控制和测量。
压缩空气流量采用美国高准公司的质量流量计测量，型号规格为E200。
试验件进、出口设有温度、压力测点，分别采用铂电阻温度计和压差传感器将信号传送到数据采集仪。
三、油循环系统
油循环系统可以对油温度和流量进行控制，对试验件油侧流量、进出口温度和压差进行测量，满足油冷却器性能测试要求。
油循环系统试验工质为导热油。
要求的油系统最大流量为600L/min（36m3/h），最高工作温度110℃（受质量流量计限制），最大加热功率240kW，最大流量时加热温差约14℃；
采用57个4.2kW的U型管电加热器元件，电加热器分为4组，功率分别为50.4、75.6、75.6、37.8kW。
电加热器的筒体尺寸为φ377×
图5油循环系统流程示意图
循环流程如图5所示，在油泵入口处连接高位膨胀油箱，为油泵提供正吸入压头，并容纳或补充因冷热温度不同引起的工质的膨胀和收缩。
流量采用变频控制，同时在油泵出口配有手动球阀和到油泵入口的小流量旁路阀。
选择油泵型号为BRY-80-50-200，流量40m3/h，扬程58m，转速2900rpm，电机额定功率11kW。
油回路流量测量采用美国高准公司的质量流量计，型号为F200。
试验件进、出口与肘状测量段连接，上面设有温度、压力测点。
肘状测量段尾部用波纹柔性连接管与油系统进出口接管连接。
油系统的接口管口径为65mm，并配有口径为50mm和40mm的过渡接头和相对应的波纹柔性连接管，以方便中小工件的测量。
连接管采用球状活接头，并配有多套各种规格的波纹管和接头，可保证不同位置的试验件接口与接管的万向连接。
为了试验前后对试验件充排工质方便，油系统还设置了下油箱，在与试验件相连接的管线上设有放油阀和带有排气阀与玻璃视镜管的排油管线，并设有压缩空气赶油管线，以使试验结束拆卸接管时尽量减少试验件中的剩油损失。
上下油箱上都装有高低液位控制器。
下油箱上装有小油泵，可向上油箱唧送油；
而上油箱上则设有回到下油箱的溢流管。
四、乙二醇水溶液循环系统和水循环系统
图6乙二醇水溶液循环系统流程示意图
乙二醇水溶液循环系统包括水泵、电加热装置、质量流量计和上下水箱等，循环流程如图6所示，在水泵入口处连接高位膨胀水箱，为水泵提供正吸入压头，并容纳或补充因冷热温度不同引起的工质膨胀和收缩。
水泵采用变频调节循环流量，同时在水泵出口配有手动球阀和到水泵入口的小流量旁路阀。
系统最大流量400L/min，最高工作温度95℃，最大加热功率180kW。
电加热器设置在水泵出口管线上，采用36个5kW的U型管电加热器元件，电加热器分为4组，功率分别为45、60、45、30kW。
最大流量时的加热温差约6.5℃，可以满足介质为乙二醇水溶液的热流体侧的性能测试要求。
电加热器的筒体尺寸为φ325×
1500。
选择水泵型号为KLW50-200，流量25m3/h，扬程50m，转速2900rpm，电机额定功率7.5kW。
水循环系统的配置与乙二醇水溶液系统类似，但其回路不设置独立的电加热器，而是借用乙二醇水溶液系统回路的电加热器，如图7。
水循环系统既可提供热流体循环，又可作为冷却流体循环，后者用于实现油-水、气-水和乙二醇水溶液-水传热性能测试的冷却水源。
图7水循环系统流程示意图
乙二醇水溶液系统的电加热器有2个进口接管、2条分别通往乙二醇水溶液系统下水箱和水循环系统下水箱的排气管线；
在其出口管线上，也设置了2条分别通往乙二醇水溶液系统下水箱和水循环系统下水箱的排液管线，此外在电加热器筒体下部还设置了一个备用排液阀，供排放清洗水。
当该系统作为热水循环系统时，水泵出口的三通阀通向乙二醇水溶液系统的电加热器，并利用其出口管线与试验件相连接。
当该系统作为冷却水循环系统时，冷却塔来的冷却水经过滤器流到水泵入口。
水泵出口的三通阀转而通向直接与试验件相连接的管线，从试验件回来的水经质量流量计后分成两路，一部分返回冷却塔，另一部分经电动调节阀与进口冷却水混合后流至水泵入口。
此时水泵过滤器前的电动调节阀根据所要求的冷却水进口温度调节回水量，以此满足冷流体侧供水温度要求为环境温度以上时换热器的性能测试要求。
此时与上水箱相连的阀门要关闭隔离。
为了试验前后对试验件充排工质方便，2套水系统均设置了下水箱，在与试验件相连接的管线上设有放水阀和带有排气阀与玻璃视镜管的排液管线，并设有压缩空气赶液管线，以使试验结束拆卸接管时尽量减少试验件中的剩液损失。
上下水箱上都装有高低液位控制器。
下水箱上装有小水泵，可向上水箱唧送水；
而上水箱上则设有回到下水箱的溢流管。
上述2套系统都可以对水温、流量进行控制和测量。
2套水系统的流量测量均采用美国高准公司的质量流量计，型号为F100。
同样，试验件进、出口与肘状测量段连接，上面设有温度、压力测点。
肘状测量段尾部用波纹柔性连接管与水循环系统或乙二醇水溶液系统进出口接管连接。
上述2套系统的接口管口径均为50mm，并配有口径为40mm的过渡接头和相对应的波纹柔性连接管，配有带球状活接头的波纹柔性连接管，并配有多套接头，可保证不同位置的试验件接口与接管的万向连接。
五、电气及测控系统
1.数据采集和处理
冷却空气和各热流体的进出口温度的测量采用PT100Ａ级铂电阻；
压差信号采用美国罗斯蒙特公司生产的差压变送器转换，再通过高精度数据采集系统（美国安捷伦公司的34970A数据采集仪）与计算机联机后进行测定。
计算机软件包括数据采集、工况控制和数据处理三部分。
计算机通过对测试数据的采集、计算处理，以图表或文件的方式输出要求的测试报告（中、英文均可）。
应用程序用进口商用软件Labview平台上编制，在中文WINDOWS-XP环境下开发运行，功能强大，界面友好。
2.工况调节与控制
工况的调节和控制采用高精度智能调节器，可以人工或全自动调节并可进行人工/自动无扰动切换，实现连续精确调节，操作人员可通过计算机进行测控参数的设定和通讯，同时配备多组手动阀门辅助开关冷热设备，调节器可对其进行上下限自动保护，既便于操作维护，又确保安全可靠。
设置1个主控制柜和多个就地分控制柜。
主控制柜设置在控制室内，分控制柜就地布置。
柜内布置控制器、变频器、固态电阻等，可使控制单元与控制对象在距离上更为接近，控制操作仍在主控室电脑上完成。
分控制柜分为以下子系统和控制对象：
1）冷却空气系统：
引风机A（变频）、引风机B、送风机C（变频）、风机D（变频）、4个风阀等；
2）压缩空气系统：
循环压缩机（变频）、电加热器、电磁阀等；
3）油循环系统：
油泵（变频）、电加热器等；
4）水及乙二醇水溶液循环系统：
2台水泵（变频）、电加热器等。
表2控制对象总表
序号
控制对象
控制器
功率
备注
风
系
统
1
引风机A
变频器
30kW
常规、定时变速
2
引风机B
电脑界面开关
3
送风机C
5.5kW
根据风洞室压差/手动
4
风机D
2.2kW
根据[0.7进风+0.3（送风-2）]
温度/手动
5
风阀组步进
电动机4台
+显示开度
<
100W
风阀组联动
取样风机2台
直接空气开关
压缩
空气
系统
循环压缩机
55kW
常规变速
电加热器
固态电阻，PID调节
27kW
根据压缩空气进口温度
/手动
36、27、18kW
稳压
电磁阀2个
Dn15
补气、放气
油
油泵
11kW22kW
50.4kW
根据油进口温度/手动
75.6、75.6、37.8kW
水
水泵2台
变频器2套
7.5kW
45kW
根据水进口温度/手动
60、45、30kW
表3测量数据总表
测量项目
测量数据
量程覆盖范围
转换信号
测量仪表
风流量
微压差
高档:
0-1000Pa
低档:
0-200Pa
4-20mA
大小2档量程
高精度微压差计
试验件压差
微压差计
风洞室压差
-100~+100Pa
风进口温度
温度
10-80℃
铂电阻
风出口温度
新风进口温度
7
送风机出口处温度
8
风进口相对湿度
相对湿度
相对湿度计
压缩空气流量
质量、容积流量
~330kg/h
质量流量计
试验件进出口压差
压差
0-200kPa
压差计
试验件进口压力
压力
0-1MPa
试验件进口温度
10-200℃
试验件出口温度
油流量
~36m3/h
乙二醇、水流量
~24m3/h
质量流量计2套
压差计2套
10-150℃
铂电阻2套
七、主要仪器及系统的测试控制精度
1.温度
温度传感器测量采用PT100A级铂电阻，经筛选标定后选用。
风洞空气温度测量精度≤±
0.15℃，控制波动≤±
0.5℃。
乙二醇（水）温度、油温及压缩空气温度测量精度≤±
2.压力、流阻
压力、流阻传感器测量精度优于0.5级。
压缩空气测量精度优于0.25级，压力控制波动≤2%。
3.空气流量微差压
微差压传感器测试精度优于0.1级。
4.流量
水、油流量测量采用质量流量计，精度0.1%测量值。
压缩空气流量测量采用质量流量计，精度0.35%测量值。
冷却空气流量采用“空气流量测量站”方案分组测量，精度优于2%测量值（含差压）。
流量控制偏差<
3%
5.重复精度（传热系数K值）偏差≤3%，主辅侧偏差≤5%
相对精度较高的一侧定为主侧，另一侧为辅侧，本试验台中一般空冷器空气侧为辅侧，水冷器水侧为主侧。
试验结果按主侧数据确定。
工况控制设备仪器能够在现场条件下稳定工作，工况达稳时间≤2小时。
试验台将微型计算机，高精度传感器及变频调速等先进技术融为一体，利用微机实现智能优化控制；
软件充分利用Windows多任务环境的优越性，自动化程度高、人机界面友好，测量数据准确、高效节能、工作可靠。
八、主要仪器的精度等级及参考品牌
1.温度PT100工业A级上仪三厂
2.相对湿度2%丹麦维萨拉
3.微差压变送器0.1级美国罗斯蒙特或日本横河
4.质量流量计
水、乙二醇、油0.1%测量值（量程比15）美国高准
压缩空气0.35%测量值（量程比10）美国高准
5.空气流量站2%美国德维尔
6.PID控制器0.1级日本横河或日本山武
7.数据采集器34970A美国安捷伦
8.变频器日本三肯
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