錢穎雪

（江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院 無錫機(jī)電分院，江蘇 無錫 214028）

1 引言

在工業(yè)設(shè)備中，冷卻器是廣泛存在的一類輔助設(shè)備，對(duì)各種氣體或液體工質(zhì)進(jìn)行熱交換，例如在柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、工藝壓縮機(jī)、鍋爐、制冷機(jī)等設(shè)備中均有應(yīng)用。冷卻器的工作狀態(tài)直接影響設(shè)備的生產(chǎn)輸出。這類應(yīng)用往往要求在有限的設(shè)備空間里實(shí)現(xiàn)換熱，這一方面對(duì)冷卻器換熱效率提出了更高的要求，另一方面也要求冷卻器有更高的整體可靠性[1]。冷卻和換熱過程在設(shè)備內(nèi)部進(jìn)行，故障不易察覺，一旦發(fā)生故障可能造成整個(gè)設(shè)備停機(jī)產(chǎn)生嚴(yán)重后果，因此對(duì)冷卻器進(jìn)行在線監(jiān)控，有助于提高系統(tǒng)工作效率，及時(shí)發(fā)現(xiàn)故障，避免安全隱患。本系統(tǒng)以常見的管板式換熱器結(jié)構(gòu)為監(jiān)控對(duì)象，設(shè)計(jì)智能監(jiān)控系統(tǒng)對(duì)冷卻器工作狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集分析，根據(jù)專家系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)值做出狀態(tài)判斷，確保設(shè)備高效正常工作。

2 管板式冷卻器基本結(jié)構(gòu)

2.1 管板式冷卻器

管板式冷卻器屬于管殼式換熱器的一種，特點(diǎn)是有一圓形外殼，內(nèi)裝平行管束，管內(nèi)通道部分稱為管程，管束外和殼體內(nèi)表面之間的通道部分稱為殼程。冷熱流體分別流過管程和殼程，通過傳熱壁面實(shí)現(xiàn)換熱。管板式冷卻器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉、選材范圍廣、清洗維護(hù)方便、適應(yīng)性強(qiáng)，除此之外還具有處理能力（容量）大，適應(yīng)溫度/壓力范圍廣的特點(diǎn)，目前仍然是應(yīng)用最廣泛的換熱器種類。本文選擇這種冷卻器作為研究對(duì)象，具有普適性，方便推廣到其他應(yīng)用中去。

2.2 冷卻器結(jié)構(gòu)

圖1為管板式冷卻器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，殼體7兩端分別有一對(duì)管板（1、2）和端蓋（3、4），用來固定內(nèi)部的管束并起到密封作用。殼體內(nèi)主要由冷卻液出入口（A、B）、工質(zhì)出入口（C、D）以及換熱管束 5、換熱翅片6組成，其中圓形翅片與殼體間預(yù)留一定的殼層空間8，翅片表面留有均勻分布的孔，管束垂直從孔洞穿過[2]。殼體底端留有排污閥門9用來排放換熱過程中產(chǎn)生的冷凝水。

圖1 管板式高效冷卻器剖面結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖

該結(jié)構(gòu)的熱交換可近似為單側(cè)肋化表面的傳熱過程，理想的傳熱系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)由氣體工質(zhì)與肋化表面之間的換熱過程、管束壁的導(dǎo)熱過程和冷卻液與管束壁表面之間的換熱過程組成。為提高整個(gè)冷卻器的換熱效率，消除熱交換鏈條中的損耗，本系統(tǒng)中換熱管束與翅片部分具體如下。

（1）翅片部分

由于翅片的作用之一是增加殼層和管束層的換熱面積，因此在翅片表面制作不規(guī)則凹凸沖壓花紋，用來增加翅片與管束間的換熱面積，提高效率，同時(shí)沖壓花紋能讓翅片重疊壓緊裝配后仍留有間隙，避免完全壓實(shí)導(dǎo)致?lián)Q熱面積縮小。

（2）管束部分

換熱管束通過焊接固定在殼體兩端的端板上，在殼體內(nèi)穿過翅片后，利用膨脹變形工藝消除兩者之間的間隙達(dá)到過盈配合，管束與翅片之間存在熱交換過程，由此冷卻器整體傳熱系統(tǒng)的過程減少一半，換熱效率得到大幅提升。

2.3 關(guān)鍵參數(shù)

在本系統(tǒng)冷卻器工作時(shí)，冷卻液和換熱工質(zhì)通過兩條不同的路線經(jīng)過管體，如圖2所示。冷卻液路線是由A入口不間斷流入端蓋，并通過管板流向各管束到達(dá)另一端的B出口，換熱工質(zhì)路線由入口C進(jìn)入，經(jīng)換熱后由出口D流出進(jìn)入下一個(gè)過程。

圖2 對(duì)流式冷卻器結(jié)構(gòu)示意圖

溫壓是指工質(zhì)出口溫度與冷卻液入口溫度的溫差，如圖3所示。由于這個(gè)溫度相對(duì)恒定，不會(huì)隨工質(zhì)入口溫度或冷卻液溫度變化而變化，通常采用溫壓來衡量一個(gè)換熱器的工作效率，本系統(tǒng)中的溫壓即D、A兩處的溫差，設(shè)定合理數(shù)據(jù)為10℃，監(jiān)測(cè)溫壓可以了解整個(gè)冷卻器的工作狀態(tài)。當(dāng)溫壓超過極限值即判定異常（報(bào)警）。

圖3 溫壓及工質(zhì)溫度變化示意圖

由于工業(yè)設(shè)備工作時(shí)，工質(zhì)溫度相對(duì)偏高，若在工作中，冷卻液（通常為軟化水）通過換熱溫度升高至沸點(diǎn)，將會(huì)在冷卻液路線中產(chǎn)生氣體從而引發(fā)安全隱患，因此需要實(shí)時(shí)監(jiān)控B處溫度，一旦超過90℃即采取相應(yīng)措施（報(bào)警），若持續(xù)超過95℃則直接停機(jī)。

出于對(duì)冷卻器本身的保護(hù)，系統(tǒng)需要監(jiān)測(cè)工質(zhì)入口C處的溫度，若超過冷卻器設(shè)計(jì)溫度（本系統(tǒng)設(shè)定為200℃）則預(yù)警，同時(shí)也說明工質(zhì)在前一過程工作中出現(xiàn)了問題需要排查。

3 冷卻器監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)以上冷卻器結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)監(jiān)控系統(tǒng)如下：分別在A、B、C、D四處放置溫度傳感器，通過監(jiān)測(cè)其輸出電壓計(jì)算當(dāng)前測(cè)試點(diǎn)溫度，從而監(jiān)控系統(tǒng)工作狀態(tài)是否正常，并由此對(duì)冷卻效率、冷卻液流量等系數(shù)作出相應(yīng)調(diào)整，整個(gè)冷卻器監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 智能高效冷卻器系統(tǒng)框架圖

3.1.1 溫度采集及模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊

本監(jiān)控系統(tǒng)最核心的功能是基于溫度傳感器對(duì)A、B、C、D四處溫度的采集，這里選擇小型、低功耗、可靠性高、低成本的LM35溫度傳感器，由于它采用內(nèi)部補(bǔ)償，所以輸出可以從0℃開始。LM35有多種不同封裝方式，本項(xiàng)目中使用的是TO92封裝。其實(shí)物與封裝如圖5所示，1腳為電源，2腳為模擬信號(hào)輸出，3腳為GND。

圖5 LM35實(shí)物及封裝圖

由于LM35輸出的是與溫度呈線性關(guān)系的模擬量，因此，必須用A/D轉(zhuǎn)換器將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，本系統(tǒng)采用八位逐次逼近式轉(zhuǎn)換器ADC0809。通過LM35的輸出電壓換算成實(shí)際溫度很方便，溫度每升高1℃，LM35的電壓上升10mV。即當(dāng)環(huán)境溫度為20℃時(shí)，LM35輸出電壓為0.2V。這個(gè)電壓值對(duì)于量程為0～5V的ADC0809八位模數(shù)轉(zhuǎn)換器來說太小了，很難獲得比較準(zhǔn)確的采樣值。如圖6所示，在Proteus中溫度采樣電路部分使用LM358放大器將LM35輸出的電壓信號(hào)放大5倍。所以，此電路中輸出的電壓Vout與測(cè)量溫度t的關(guān)系為：Vout=10×5×t。

圖6 LM35溫度采樣電路部分原理圖

在本系統(tǒng)中，ADC0809通過與單片機(jī)控制器接口連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)四路溫度采集點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集通道選擇，并且在AD轉(zhuǎn)換完成后將數(shù)據(jù)分時(shí)傳送給溫度值存儲(chǔ)器。由于ADC0809沒有內(nèi)部時(shí)鐘，在使用時(shí)還需要連接時(shí)鐘產(chǎn)生電路，如圖7所示。

圖7 AD轉(zhuǎn)換時(shí)鐘產(chǎn)生電路

3.1.2 按鍵及其他模塊

為更好測(cè)試系統(tǒng)功能，本設(shè)計(jì)的按鍵模塊由S1和S2兩個(gè)按鍵來控制工作過程。S1為總開關(guān)，用來模擬真實(shí)工況中“人為停機(jī)”功能；S2為繼電器開關(guān)，用于手動(dòng)控制繼電器工作狀態(tài)。在功能測(cè)試中，采用LCD1602液晶實(shí)時(shí)顯示所采集的溫度，一旦監(jiān)測(cè)發(fā)現(xiàn)冷卻器工作狀態(tài)異常，系統(tǒng)打開繼電器開關(guān)增加冷卻液流量，同時(shí)蜂鳴器報(bào)警，如果問題仍沒有解決將會(huì)直接停機(jī)以保護(hù)整個(gè)設(shè)備。整個(gè)系統(tǒng)原理圖如圖8所示。

圖8 監(jiān)控系統(tǒng)原理圖

3.2 軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件部分是通過ADC0809分時(shí)采樣LM35輸出的四處溫度模擬信號(hào)并顯示在LCD1602液晶屏上。由主程序、液晶顯示屏初始化子程序、寫數(shù)據(jù)子程序、AD轉(zhuǎn)換數(shù)值讀取子程序、溫度顯示子程序、繼電器子程序組成。在主程序中實(shí)時(shí)刷新溫度信息并判斷工作狀態(tài)，并調(diào)用相應(yīng)子程序[3]。

3.2.1 模數(shù)轉(zhuǎn)換數(shù)值讀取子程序

在AD轉(zhuǎn)換及數(shù)值的讀取子程序中，首先對(duì)端口及變量進(jìn)行初始化和定義，根據(jù)工作時(shí)序，A、B、C輸入的通道地址在ALE有效時(shí)被鎖存，信號(hào)START啟動(dòng)后開始進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換，根據(jù)EOC信號(hào)判斷是否完成轉(zhuǎn)換，EOC變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，表示轉(zhuǎn)換結(jié)束，這時(shí)OE為高電平，將轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)返回進(jìn)行量程變換，在數(shù)值上等同于當(dāng)前采集的溫度，返回給主程序。如圖9所示。

圖9 AD轉(zhuǎn)換數(shù)值讀取子程序

3.2.2 工作狀態(tài)判斷程序

當(dāng)四路信號(hào)被分時(shí)轉(zhuǎn)換為溫度值后，需要根據(jù)系統(tǒng)要求對(duì)冷卻器當(dāng)前工作狀態(tài)進(jìn)行判斷。為確保換熱系統(tǒng)能正常工作，先判斷工質(zhì)入口的溫度是否高于冷卻器的設(shè)計(jì)溫度，本系統(tǒng)預(yù)設(shè)為200℃，若C處溫度超過該溫度，系統(tǒng)直接停機(jī)；為了保證冷卻器殼體內(nèi)溫度不會(huì)達(dá)到冷卻液沸點(diǎn)，因此預(yù)留5～10℃的余量，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)冷卻液出口B處溫度，當(dāng)超過90℃時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)，當(dāng)超過95℃直接停機(jī)；計(jì)算冷卻液入口A處及工質(zhì)出口D處溫度差值即溫壓，如果溫壓在10℃以內(nèi)說明系統(tǒng)正常工作，一旦溫壓高于10℃，提示冷卻器換熱效率偏低，則打開繼電器加大冷卻液流量，同時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。整個(gè)判斷過程的流程圖如圖10所示。

圖10 工作狀態(tài)判斷程序

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

4.1 功能調(diào)試

根據(jù)設(shè)計(jì)方案，利用Proteus仿真軟件分別模擬以下4種情況進(jìn)行測(cè)試。

（1）正常工作狀態(tài)

液晶屏實(shí)時(shí)顯示A、B、C、D四個(gè)位置的溫度，其中D處和A處的溫差不超過10℃，蜂鳴器不響、繼電器關(guān)閉，液晶屏上的工作狀態(tài)顯示“正常工作”。

（2）工質(zhì)溫度超標(biāo)

人為給C處加熱，觀察液晶屏上C處溫度變化，當(dāng)顯示超過200℃時(shí)系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉，液晶屏上的工作狀態(tài)顯示“停機(jī)”。

（3）冷卻液溫度超標(biāo)

人為給B處加熱，觀察液晶屏上B處溫度變化，當(dāng)顯示超過90℃時(shí)，系統(tǒng)繼續(xù)工作，但是蜂鳴器開始報(bào)警，持續(xù)給B處加熱直至顯示超過95℃時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)關(guān)閉，液晶屏上的工作狀態(tài)顯示“停機(jī)”。

（4）換熱效率偏低

人為在D處加熱，使得D處與A處顯示的溫度差值超過10℃，此時(shí)換熱效率偏低，繼電器打開提示加大冷卻液流量，蜂鳴器報(bào)警，液晶屏上的工作狀態(tài)顯示“效率偏低”。

4.2 功能拓展

隨著工業(yè)大數(shù)據(jù)發(fā)展，設(shè)備狀態(tài)智能管理將成為遠(yuǎn)程運(yùn)維的新模式，本系統(tǒng)在對(duì)溫度監(jiān)測(cè)以及系統(tǒng)工作狀態(tài)判斷時(shí)也可以加入遠(yuǎn)程監(jiān)控的功能。在對(duì)冷卻器系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控時(shí)，后臺(tái)實(shí)時(shí)將數(shù)據(jù)無線傳輸?shù)皆O(shè)備監(jiān)控終端[4]，并且可以根據(jù)專家系統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)值做出更精確的狀態(tài)判斷及故障診斷，甚至進(jìn)行基于人工智能的預(yù)測(cè)性分析，更好地提高工業(yè)設(shè)備生產(chǎn)效率。

5 結(jié)語(yǔ)

文章基于單片機(jī)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種智能冷卻器監(jiān)控系統(tǒng)并進(jìn)行功能測(cè)試。該監(jiān)控系統(tǒng)可有效實(shí)現(xiàn)工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的管板式冷卻器工作狀態(tài)的監(jiān)控，并給出相應(yīng)糾偏措施。在現(xiàn)有的條件下提出更為智能的遠(yuǎn)程監(jiān)控[5]，使得工業(yè)設(shè)備狀態(tài)管理實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程運(yùn)維。該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的方法，對(duì)基于工業(yè)數(shù)據(jù)的設(shè)備故障診斷及對(duì)設(shè)備進(jìn)行預(yù)測(cè)性維護(hù)工作具有一定的參考價(jià)值。