1、第一章 绪 论1.1试验台研究的现状及意义近年来，由于人们对于环保问题日益重视，排放法规也越来越严格。在我国，北京已于2008年3月1日已经率先使用国四排放标准，全国其他地区也将于2010年迈入国四标准。这些对于EGR技术提出了更高的要求，冷却的EGR系统以其更优的排放质量已经成为了满足排放标准的必要机内净化措施，并已成为国内外汽车发动机满足排放法规的必备装备。因此人们不断致力于降低柴油机有害物排放，尤其是NOx(氮氧化物)和PM（颗粒）排放。废气再循环（EGR）冷却器技术对降低柴油机的NOx排放有显著效果，是目前普遍采用的技术。其原理是将发动机排出的定量废气回送到混流器与新鲜空气混合后进入气
2、缸，由于废气再循环使得燃烧温度降低，氧的相对浓度降低，NOx有害排放得以减少。冷却器是废气再循环装置中的重要元件，它通过降低废气温度，使废气再循环更有效。因此，必须尽可能提高废气再循环冷却器的冷却效率，保证废气流过时压力下降到规定的范围，这是冷却器结构设计的首要目标。随着EGR冷却器制造技术的提高及国内外市场的巨大需求看，我们面临着一个紧迫的问题，就是冷却器性能测试平台的短缺。 调查显示，很少有非换热器公司具有EGR换热器性能测试实验台，即使已有的试验台，其中多半的测试手段和方法已相对落后。根据本公司的实际需要，为了节省试验成本，废气用高温燃气发生器代替发动机来获得，通过以水气换热的壳管式EG
3、R换热器作基本模型，设计出一套自动化程度高、测量准确、操作简单、适用范围广的EGR换热器性能实验系统。对不同的EGR换热器型式，通过简单的安装，可以在本实验台系统上得到该换热器的一系列性能参数，用测量的温度、流量、压力等参数，来推算出传热系数与流速之间，流阻与压力差之间的关系曲线和关系式，由此可对换热器的传热性能进行评价和比较。所以我们这个智能化EGR冷却器实验台的建设，对我国EGR产业的发展能够起到一定的推动作用。一方面能够为以后的EGR冷却器的性能参数提供可靠方便的测试平台；另一方面为以后我国制定EGR冷却器性能参数的行业标准提供有效数据及技术支持。因此EGR实验台的建设迫在眉睫，也是我们
4、国家以后发展所必须拥有的一项技术。1.2 EGR冷却器简介1.2.1冷却废气再循环技术的原理研究表明，高温富氧是汽车尾气排放中NOx主要的产生条件，废气再循环(EGR)技术的基本原理是将部分排气引入进气管，以提高混合气中的废气成分，这样一来，废气对新气的稀释作用意味着降低了氧浓度，破坏了富氧的条件；另一方面，由于废气中含有的水蒸气和二氧化碳等三原子分子，比热容大，可以有效地降低气缸内的最高燃烧温度，破环高温的条件，从而达到降低NOx含量的目的。然而，直接将废气送入进气管的EGR技术增加了进气温度，降低了燃烧效率，因此也降低了燃油的经济性，同时提高了最高燃烧温度，又使NOx的排放量增加。基于此缺
5、点提出的冷却的EGR技术是将再循环废气经冷却器冷却后，再送入进气端，进一步降低进气温度，更有利于降低NOx的排放，同时也改善了燃油的经济性。研究表明：冷却的EGR技术对于NOx，PM的排放以及燃油的消耗率都有积极的影响。冷却的废气再循环技术并不要求过低的冷却温度，因为过低的EGR温度不仅会导致水蒸气和硫化物的凝结，造成汽缸壁的腐蚀和磨损，而且会导致EGR冷却器尺寸增大，成本增加。另外，还有学者提出：当EGR率较小时，EGR冷却与否对发动机的燃油经济性影响相当，但当EGR率超过7之后，冷却的EOR对发动机的燃油经济性带来不利影响，而在此范围内，冷却与非冷却对于氮氧化物的排放浓度的影响几乎一致，印
6、没有明显降低氮氧化物的排放却牺牲了燃油的经济性。于是，又有学者对于不同负荷下的EGR冷却温度进行了研究，并设计了EGR冷却温度的控制装置，根据不同的工况，自动控制EGR冷却温度，从而更进一步的降低NOx的排放。1.2.2 EGR冷却器的性能要求和类型1EGR冷却器的性能要求EGR冷却器是一种换热器，选型的标准很多，最基本的涉及待处理流体的类型、操作压力、温度、热负荷和费用等。另外，用于对废气进行冷却的EGR冷却器不仅要满足热交换器的基本要求，还要满足它自身冷却温度不能过低的特殊要求。过低的冷却温度将使排气中的水蒸气凝结，与排气中的含硫化合物结合形成酸，造成对冷却器及连接管路的酸性腐蚀，降低冷却
7、器的寿命与可靠性。由于EGR冷却器的冷却对象是温度较高的再循环废气，要求冷却器在较小的换热面积下实现大的热量传递，而且必须尽可能提高废气再循环冷却器的冷却效率，同时还要适应发动机振动大的特点。此种工作条件下对冷却器的要求是：(1)冷却器要耐高温、耐腐蚀；(2)体积小、散热效率高、压力损失小、能防堵塞。2EGR冷却器的类型综合考虑以上性能要求，目前应用到EGR冷却器的换热器可以分为两种形式：管壳式换热器和板翅式换热器。管壳式换热器是最传统的通过壁面进行换热的装置，它的研究与发展也最健全，而且得益于管壳式换热器易于制造，生产成本低，选材范围广，传热表面清洗较方便，适应性强，处理量大，具有高度工作可
8、靠性，能承受高温、高压等优点，很好的满足了EGR冷却器的基本工作要求，成为了EGR冷却器最常见的方式，目前可见的管壳式EGR冷却器有以下四种形式：光管式EGR冷却器、螺纹管式EGR冷却器、翅片式EGR冷却器、螺旋折流板式EGR冷却器。另外，板翅式换热器作为高效换热器的一种形式，以其结构紧密，轻巧，传热面积大，传热效率高的特点，亦被许多的EGR冷却器所采用。3.高效EGR冷却器如下图：a.改进结构，提高废气金属水的总传热效率。将管壳式改为平板式或叠层式或板翅式，有最大的气金属接触面积。b.选用导热系数更高的金属如铝合金等并解决焊接等工艺问题等。常见EGR冷却器的结构及实物图（见附录）1.3、主要
9、任务及目标任务：1.了解目前国内汽车柴油机用EGR冷却器的发展状况及国内外EGR测试实验台的现状。 2.深入了解所需实验设备的性能指标及个元器件的市场价格等，并为购置实验台设备提供参考信息及方案。 3.学习应用Lab VIEW编程软件及试验数据处理所需的部分算法，并完成实验台的控制程序的编写。4.了解掌握实验台的设计流程图，工作原理、工作过程及要求。目标：1.参与完成实验台的研制与建设并达到要求的性能指标。 2.完成对EGR冷却器实验台控制模式的改进，即由手动仪表控制到计算机的自动化控制。 3.在完成实验台的基础上，使设备的测量精度提高，且设备成本相对降低。第二章 总体设计方案根据国家有关标准
10、及换热器性能实验的实验原理，首先对实验系统的硬件进行了总体的设计，在此设计基础上搭建实验台并在建立过程中作出相应的改进和调整。通过实验能够确定废气再循环（EGR）冷却器的传热性能，给出不同定性温度下传热系数与流速之间的关系，建立努谢尔准则数与雷诺数之间的准则方程式；确定EGR冷却器的流体阻力性能，给出压力降与流速之间的关系。2.1 智能化EGR冷却器试验台性能要求：1. 有燃气发生器作为气源，其压力为0.1-0.3mpa，温度为200-600，流量为35-150KG/Hr可调。2. 有温度流量可调的水源。3. 同时记录进出气与进出水的温度和压力。4. 自动计算和打印出各试验点的热流和总传热系数
11、。冷却器试验台流体流动示意图2.2 实验台系统实验台系统由实验台本体、高温燃气发生器、空气冷却器、热水源及可控硅温度控制器五大件组成。五大件各自独立，有较大灵活性。系统简图示于图4。图4 换热器性能实验示意图实验台本体结构紧凑，实验用的换热器置于高温燃气发生器废气出口上。水箱、管路、水泵、涡轮流量计、调节阀、加热器及电阻温度计组合成一个独立的冷却热水源。三相可控硅温控装置温度控制精度为0.1。为了防止水中有杂质与颗粒堵塞流量计并造成温度计与压力计的测量误差，管路中设计加装过滤器，过滤器可以定期取出冲洗除污。冷却水的散热系统除了水箱本身具有散热能力外，冷却水系统的管路中安装空气冷却器，空气冷却器
12、主要利用空气来将热水传递给冷水的热量带走，冷却介质采用空气，一是尽管考虑到如果采用水冷，效果比空气冷却好，但是水资源的消耗较大；二是空气资源十分丰富，且实验过程中没污染。换热器中流体流动形式可认作为二次叉流，水-气流向为逆流。需测参数共计11个：换热器进、出水温度和压力（4个），进、出废气温度和压力（4个），大气温度，水流量及废气流量。水侧和气侧进出口温度用铜-康铜热电偶测量。水侧进出口温度测点tw1，tw2布置在换热器进出口水管内；进口空气温度测点ta1布置在紧靠换热器的进口截面处，用3对热电偶并联进行测量；空气出口温度测点ta2布置在换热器出口截面后的均温段出口处，用9对热电偶并联进行测量
13、。换热器内水流量用涡轮流量计测量，空气流量用风机进风口内的毕托管及微差压传感器进行测量。实验设计中，传感器的选型与设计安装是十分重要的，它们是实验结果的精度与实验系统设计成功与否的关键。根据国家标准规定，流量计、温度计与压力计都有最低限度的要求，但不限制使用其他同等或更高精度的测量仪表，具体要求如下： 流量计：涡轮流量计应安装在水平直管段上，其涡轮上游直管段长度应不小于20倍管径，下游直管段长度应不小于15倍管径。在仪表的上游直管段起始端应安装过滤器；测量废气流量的板孔式流量计可以安装在水平或垂直管道上，安装时必须注意流体流向与流量计箭头标示方向一致。测量管段内所有密封垫片，夹紧后不得突入管道
14、内，否则会使流速紊乱，影响测量精度。流量计前后要有足够长的直管段。在新铺设的管路上安装流量计时，应在清扫管线之后再安装。 温度测量：测温元件的感温点应位于管道中心，其保护管的插入深度L应按温度计使用说明书的规定；温度保温管的安装应符合规定。当管道公称直径大于Dg80mm时，垂直安装法进行安装；当管道公称直径小于或等于Dg80mm时，可以倾斜安装、在管道弯头处安装或在扩大管处安装；测温点的上、下游各处300mm范围内，保温层应尽可能加厚，换热器、混合器、测温点之间的全部管线应保温良好。 压力（差压测量）：静压测孔应设置在距离任何扰动区（弯管、阀门等）下游至少5倍管径、上游至少2倍管径处。静压测孔
15、应与测壁面垂直。水侧和废气侧进出口温度用电热阻温度计测量，水侧和废气侧进出口压力用扩散硅压力传感器测量。换热器内水流量用涡轮流量计测量，废气流量用板孔式流量计进行测量。所用传感器都采用屏蔽线与控制柜及计算机进行连接，这是考虑到远距离传输中防止传输信号受到干扰。为了方便校验、观测与控制，实验系统采用了控制柜的仪表与计算机并行监测现场信号的处理方法。在系统调试运行正常后，将控制柜放置在现场，而核心部件计算机则放置在计算机房，进行远程控制，这样也可以实现手动与自动两种不同的控制方法。2.3 测控系统测控系统由温度、压力及流量传感器及变送器、控制柜内的二次显示仪表、I/V转换板、AD板卡、DA板卡、变
16、频器、冷却水泵、高温燃烧器进气控制阀及计算机组成完整的系统。系统中使用的电热阻温度计输出电流信号，涡轮流量计输出脉冲信号，扩散硅压力计输出电流信号，温度与流量信号都送往控制柜中的二次显示仪表与计算机并联显示，所有的可远传信号最后都变成电流信号送往I/V转换板，经AD板卡变成数字信号后被计算机接收。控制方法采用的反馈控制，主要对制冷剂（即水）流量和高温燃气发生器的负荷进行控制，由计算机传出的控制量经DA板卡变成模拟信号后送变频器来调节控制冷水泵的转速，和高温燃气发生器的进气阀门开度和燃油泵的转速，从而达到控制流量的目的。图五 换热器性能试验测控系统示意图测试系统组成见下图6所示图六 原理接线图第
17、三章 试验台测控系统的硬件设计及数据处理3.1 硬件选择3.1.1实验台本体(包括风源箱)(a)风机：风量：800 m3/h、风压：580 Pa；出风口尺寸：233155 mm；进风口测速段直径：138 mm(b) 换热器：换热器为一紧凑的翅片管间壁式散热器，由铜管束套皱折的整体铝翅片构成。结构参数为 管束：紫铜管管外径： do=8 mm； 管内径： di=7.2 mm管节距： 横向： s1=18.5 mm； 纵向： s2=28 mm翅片：铝质、皱折、整片翅片厚 =0.1 mm；翅片距 t=1 mm； 翅片数：m=231水侧结构尺寸：横向管数：n1=8； 纵向管排数：n2=2总管数：n=n1n
18、2=16水侧并联管数：n3=n1=8管子总长度： =n通道面积：FW = ?n3 ?di4气侧结构尺寸：通道尺寸：a=233 mm，b=155 mm，h=42 mm迎风面积：fa=ab换热总面积：Aa=2bhm2 d02. /4nm (a-m)2d0n 特征尺寸：Da=4V Aa =4abh Aa3.1.2 高温燃气发生器燃气温度范围：150550;燃气流量范围：040000L/h；可调节燃油和空气的比值。具体型号、结构参数待定。因为柴油机和汽油机一样，每个工作循环也经历进气、压缩、作功和排气四个过程。但由于柴油粘度比汽油大，不易蒸发，但自燃温度却低于汽油，故柴油机可燃混合气的形成和燃烧方式与
19、汽油机不同。所以选择柴油机。图1-4为四行程柴油机示意图。（图七） 柴油机在进气冲程吸人的是纯空气，在压缩冲程接近终了时，柴油经喷油泵将油压提高到10MPa以上，通过喷油器以雾状喷人气缸，在很短时间内与压缩后的高温空气混合，形成可燃混合气。因此，柴油机的可燃混合气是在气缸内部形成的。由于柴油机的压缩比高，所以压缩终了时气缸内空气压力可达3.54.5MPa，温度高达7501000K，大大超过柴油的自燃温度，故柴油喷人气缸后，在很短的时间内即自行着火燃烧，燃气压力急剧上升到69MPa，温度升高到20002500Ko在高压气体推动下，活塞向下运动并带动曲轴旋转作功。废气同样经排气门、排气管等处排人大
20、气。3.1.3 换热器图八为冷却效率对比实验用冷却器的结构图，两种冷却器的外形尺寸相同，均由19根直径相同的冷却管组成，管外径为12mm，光管内径为10mm，翅片管内翅片高度为1mm,内径为8mm，两种冷却器的散热面积相同，均为0.14m2，光管冷却器气流通路面积为1491.5mm2，翅片管冷却器的气流通路面积为955mm2。实验时，两种冷却器所用冷却剂流量保持相同，两种冷却器的冷却管均为新管。图八 两种冷却器基本尺寸参数换热器（冷却器）是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，又称热交换器。在一个大的密闭容器内装上水或其他介质，而在容器内有管道穿过。让热水从管道内流过。由于管道内热水和容器内冷
21、热水的温度差，会形成热交换，也就是初中物理的热平衡，高温物体的热量总是向低温物体传递，这样就把管道里水的热量交换给了容器内的冷水。以平板和翅片作为传热元件的换热器。它主要由板束和封头等构成。板束中有若干通道。在每层通道的两平板间放置翅片，并在两侧用封条密封。根据流体流动方式不同，冷、热流体通道间隔迭置、排列并钎焊成整体，即制成板束。两流体流动方式有逆流、错流和错逆流等。A、B流体分别由入口封头经一分配段的导流片导入各自的板束通道，再经另一分配段的导流片导至出口封头而引出，两流体呈逆流间壁换热。常用的翅片有平直、多孔、锯齿和波纹等形式。板翅式换热器的主要优点是：效能高。因翅片对流体的扰动，使构成
22、热阻的边界层不断更新，传热系数一般为管壳式换热器的3倍;而且在小温差(1.52)下,热(冷)量回收效果好。用于气-气换热时效果最好。紧凑。因大部分热量是经翅片通过平板传递，设备单位体积的传热面积可达1500米 /米 。重量轻 传热面积相同时，重量近于管壳式换热器的 1/5。坚固。因板束为一整体件而且翅片在两平板间起支承作用，故可承受较高的工作压力。此外，还可在同一设备中实现多种流体同时换热。但板翅式换热器通道狭小、易堵塞，清洗维修较困难，制造工艺较复杂。它大多用铝合金制造，也可用铜、不锈钢和钛等。由于铝具有良好的低温性能、重量又轻，故铝制板翅式换热器特别适用于制氧、乙烯和氦液化等深低温设备，也
23、可用于动力装置中。铝制板翅式换热器一般用于设计压力小于 6.3兆帕、设计温度为+200-270的场合。中国、美国、英国和日本等都已生产板翅式换热器。板翅式换热器的发展趋势是：提高翅片精度和钎焊质量，增加品种和规格，加强对翅片性能、多股流和有相变工况下的传热机理研究等。图九 冷却器解剖图3.1.4 热水源水箱尺寸：440250550mm水泵：流量：0.6m3/h；压力：0.1MPa电机功率：80W，220V；电加热器：共3只，每只3kW，220V水源温度：80-1003.1.5 可控硅温度控制器型号：DWK型三相温控装置输入信号：热电阻Pt100(WZP-231型)输出功率：三相10kW；输入电
24、源：三相380V（1）可控硅温度控制器的应用选择优良耐火材料如高级氧化铝、耐火纤维和轻质砖做成的炉体是关键的一环，以硅钼棒、硅碳棒等电加热元件提供热源的温度控制设备采用可控硅温度控制器，炉况稳定，炉温控制效果在实时性和控制精度方面有显著提高。而采用计算机和pci总线控制后，一台计算机可以同时控制多台电阻炉，不但实现了程序自动控制，而且可以多点温度显示记录贮存和报警等功能，系统使触发电路等大部份部件互换，可以使传统的设备得到升级。这样设备管理工作实现自动化，对设备的维护和维修比较简单。（2）可控硅温度控制器的组成与原理温度测量与控制是热电偶采集信号通过pid温度调节器测量和输出010ma或420
25、ma控制触发板控制可控硅导通角的大小，从而控制主回路加热元件电流大小，使电阻炉保持在设定的温度工作状态。可控硅温度控制器由主回路和控制回路组成。主回路是由可控硅，过电流保护快速熔断器、过电压保护rc和电阻炉的加热元件等部分组成。控制回路是由直流信号电源、直流工作电源、电流反馈环节、同步信号环节、触发脉冲产生器、温度检测器和pid温度调节器等部分组成。（3）可控硅主要参数a.额定电压断态重复峰值电压u。：在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的正向峰值电压。反向重复峰值电压：在门极断路而结温为额定值时，允许重复加在器件上的反向峰值电压。通常取可控硅的和中较小的标值作为该器件的额定电压。选
26、用时，额定电压要留有一定裕量，一般取额定电压为正常工作时晶闸管所承受峰值电压23倍。b.额定电流可控硅在环境温度为40c和规定的冷却状态下，稳定结温不超过额定结温时所允许流过的最大工频正弦半波电流的平均值。使用时应按实际电流与通态平均电流有效值相等的原则来选取可控硅并非应留一定的裕量，一般取152倍。（4）安装和操作由于可控硅温度控制器的主回路电流都比较大，因此选择合适的线路电缆直径线路是十分重要的，并且要确保线路的可靠连接，防止负载短路击穿可控硅；考虑到可控硅电流突变时较易损坏，开炉时要手动调节使电流缓慢上升，关炉时要关小电流。3.1.6 空气冷却器 主要利用空气来将废气传递给水的热量带走，
27、冷却介质采用空气。型号和具体结构参数待定。3.1.7 测量仪器和传感器a.进出水温和进出气温用电热阻温度计；大气温度用铜-康铜热电偶。b. 进出水压和进出气压均用采用HB9500型扩散硅压力传感器。c.水流量用LWGY-10A型涡轮流量计。基本误差1%。d.废气流量用板空式流量计，具体型号待定。e. 数据采集处理系统，包括： (i) HP34970A数据采集单元及功能插板；(ii) 计算机；(iii) HP82350A接口板；(iv) 接口电缆。3.2 测量仪表3.2.1热电阻温度计常用的热电偶温度计尽管价格便宜，但精度低。热电阻温度计测量精度高，测量范围为13.8K903.8K，可作为标准温
28、度计，且不需要冷端补偿，可以远传等优点。热电阻温度计分别安装在冷却水进出口和废气进出口的管路上，插入中心位置，以测量进出EGR换热器的冷水或废气的温度差。系统采用铂电阻温度计精度等级为0.1级。显示仪表配备用AI-808P型人工智能工业调节器。铂电阻温度计配有SBWZ型一体温度变送器，将它与热电阻配合，可以输出420mA的电流，送与二次显示仪表，二次显示仪表在显示数据的同时，再将测量信号转换420mA的电流输出，送给I/V转换板，通过I/V转换板转变成电压后，由AD卡采入计算机中储存、处理。3.2.2 压力计压力测量采用HB9500型扩散硅压力传感器。该压力传感器属固体应变式压力传感器，可安装
29、于管路上，用来连续测量（液体、气体、蒸汽）的压力，可将被测量信号转换成420mA直流电信号输出。测量信号通过I/V转换板变成电压后，由AD卡采入计算机中。扩散硅原理，有表压、绝压和差压产品；有隔离充油金属膜片（ISO）、双列直插（DIP）、TO8、表面贴装（SO8）等；多种封装结构，可应用于各种相应测量场合。 工作原理：被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上（不锈钢或陶瓷），使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，和用电子线路检测这一变化，并转换输出一个对应于这一压力的标准测量信号。扩散硅压力传感器主要应用于： 医疗器械（监护仪器、呼吸机）； 测量仪器及实验设备；工业控制
30、及设备检测；能源及动力设备；汽车设备、配件及制造行业；航空、航天、航海及军事领域。图十ICSensors扩散硅压力传感器芯体应变式压力传感器（straingauge pressure transducer）：利用弹性敏感元件和应变计将被测压力转换为相应电阻值变化的压力传感器。应变计中应用最多的是粘贴式应变计(即应变片)。它的主要缺点是输出信号小、线性范围窄,而且动态响应较差(见电阻应变计、半导体应变计)。但由于应变片的体积小,商品化的应变片有多种规格可供选择，而且可以灵活设计弹性敏感元件的形式以适应各种应用场合，所以用应变片制造的应变式压力传感器仍有广泛的应用。按弹性敏感元件结构的不同,应变式
31、压力传感器大致可分为应变管式、膜片式、应变梁式和组合式4种。3.2.3 涡轮流量计和板孔式流量计涡轮流量计：该流量计具有精度高，惯性小，复现性好，输出频率信号抗干扰能力强等优点。此类流量计的输出为脉冲信号，必须与相关显示仪表配套使用。系统采用LWGY型涡轮流量计，精度等级为0.5级。显示仪表配用XSL-1B型智能流量显示仪表，由现场采集的流量信号由流量计输出脉冲信号，此脉冲信号被送到XSL-1B型智能流量显示仪表，该仪表在显示数据的同时可以输出模拟信号，输出420mA(DC)的电流。电流信号在通过I/V转换板转换变成电压信号后，经AD卡送计算机。板孔式流量计：又称为差压式流量计，是由一次检测件
32、(节流件)和二次装置(差压变送器和流量显示仪)组成，广泛应用于气体、蒸汽和液体的流量测量。具有结构简单，维修方便，性能稳定，使用可靠等特点。孔板节流装置是标准节流件可不需标定直接依照国家标准生产，1.国家标准GB2624-81流量测量节流装置的设计安装和使用；2.国际标准ISO5167国际标准组织规定的各种节流装置；3.化工部标准GJ516-87-HK06。工作原理：充满管道的流体流经管道内的节流装置，在节流件附近造成局部收缩，流速增加，在其上、下游两侧产生静压力差。该流量计结构牢固,性能稳定可靠,使用寿命长。此类流量计的输出为压差型号，必须与差压变送器连用。3.3 控制系统控制系统主要由变频
33、器、AD卡、DA卡、漏电保护装置、温度调节器及计算机组成。3.3.1 变频器流量调节的机构采用1PF11K,1PF7.5型SANKen变频器，该变频器可把感应电机用作可变速驱动装置，通过改变变频器电流频率来调节电机转速，从而达到调节流量的目的。变频器的输入信号由计算机通过DA卡输入，其输入信号为电压，范围为010V。变频器是利用电力半导体器件的通断作用将工频电源变换为另一频率的电能控制装置。可分为交交变频器，交直交变频器。交交变频器可直接把交流电变成频率和电压都可变的交流电；交直交变频器则是先把交流电经整流器先整流成直流电，再经过逆变器把这个直流电流变成频率和电压都可变的交流电。3.3.2 A
34、D卡及DA卡本系统采用中泰公司的PC6313数模及模数转换卡，AD卡与DA卡是集成在一块电路板上，总线结构为ISA总线。1模入部分：输入通道为单端32路，A/D转换速度为10us，分辨率为12位。2模出部分：DA卡转换分辨率位12位，输出可为电流输出，也可为电压输出。转换状态可以有程序查询，也可用中断方式通知CPU读取转换结果。采集的数据变成数字信号送到计算机后，在计算机中经控制算法处理，然后将数字信号送于DA卡并由DA卡转换成为模拟信号，模拟信号传输给变频器，变频器在接到计算机的电压信号后，通过改变交流电频率来改变水泵的转速，从而改变流过换热器的流量，使流量达到操作员所设想的结果。3.3.3
35、 温度调节器本系统采用可控硅温控装置，型号：DWK型三相温控装置，输入信号：热电阻Pt100(WZP-231型)，输出功率：三相10kW；输入电源：三相380V。其使用方法：1 操作界面介绍见下图图十一 可控硅温控装置操作界面2操作步骤：（1）接好电阻温度计；接妥三相电源；（2）打开总电源开关，则电源指示灯亮；（3）按XTMA-1912数显调节仪功能键“FUN”和加数键“?”或减数键“?”选择“SP”（设定参数）功能，进行被控温度设定值及调节参数（PID）的设定，也可进行温度上下限报警值的设定；（4）手动/自动切换开关置于手动位置，把手动调节电位器调到零位，按主回路合闸按钮（绿色按钮）使主回路
36、通电，调节手动电位器从0到100%，电压表及电流表应从最小平稳变化到最大，且三相应基本均衡，则表示正常，若三相很不平衡、则可交换输入电源线的相序再试；（5）手动/自动开关置于自动位置，XTMA-1912调节仪即自动对水箱水温进行控制；（6）若水温超过报警上限，则响警铃，亮红色报警灯，同时自动断开主电源，负载停止加热。复位需手动，待降温后重新加热，或检查故障；（7）工作完毕，手动/自动开关置手动，手动调节电位器置零位。按红色主回路断开按钮切断主电源，关掉仪表电源。3.3.4 计算机系统采用一台IBM（型号待定）的笔记本，不选用工控机是由于所选用的笔记本电脑具有性能好，系统功能更强的特点，可以实现
37、实验控制与数据测量，携带方便，同时可以在漫长的实验过程中进行娱乐活动。3.4 实验原理及实验数据处理3.4.1 计算公式 (1) 水流量 实测( ) （3-1） (2) 进口水温 实测 () （3-2）(3) 水进出口温差 w实测 () （3-3）(4) 出口水温 w () （3-4） (5) 水阻w w实测 ( ） （3-5）(6) 气流量实测 ( ) （3-6） (7) 气进温 实测 () （3-7）(8) 气进出口温差 实测 () （3-8）(9) 气出温 () （3-9） (10) 气阻 实测 ( ) （3-10）(11) 水侧放热量w ( ) （3-11） (12) 气侧吸热量 (
38、) （3-12） (13) 气水对数平均温差(逆流布置) () （3-13） (8) (14) 传热系数 ( ) （3-14） (15) 水标准散热量 ( ) （3-15）(16) 气水热平衡误差 ( ) （3-16） (17) 气水冷却效率 ( ) （3-17） (18) 液侧表面传热系数的计算 18.1 管内流速 ( ) （3-18）18.2计算管内雷诺数 （3-19）式中： 管子内径， -水的运动粘度，以水的平均温度用插值法查传热书得到； 18.3 液侧表面传热系数计算 ( ) （3-20） 式中： -水的导热系数，以水的平均温度用插值法查传热学书得到； 3.4.2 测定换热器传热系数及
39、其变化规律在某一稳定工况下冷却水在换热管外流动，其吸热量为 Qw=Mwcpw(tw2-tw1) (W) （3-21）空气在换热管内流过，放热量为 Qa=Mgcga(tg1-tg2)(W) （3-22）以Qw和Qg的平均值作为换热器的换热量，即 Q=(Qw+Qg)/2 (W) （3-23）换热器的热平衡误差为： （3-24）误差 tg2tw1时 （3-26）当tg1tw2 = tg2tw1时 =(tg1tw2) （3-27）当tg1tw2 tg2tw1时 （3-28）换热器工作时，废气流速、水速及水温的变化对传热系数K都有影响，其中废气流速影响较大。实验时，控制阀门开度维持稳定的水流量，由温控器
40、保持稳定的水温，然后多次改变废气流量进行实验，可得出某水温、某水流量下传热系数随空气流量的变化规律。3.4.3 EGR冷却器冷却效率的测定EGR冷却器冷却效率的定义： （3-8）设定冷却剂（即水）进口温度为一定值时，测量废气冷却前后的压力、温度以及冷却剂在冷却前后的实际压力、温度变化值。例：设定冷却剂进口温度为90时，某冷却器的实验值如下表：测试序号tw1pw1kPatg1pg1kPatg2pg2kPatw2pw2kPa1912604206001635809520029225048510501881030971903912104183501713209516349220050072518770
41、09715859023029612515810092180690280330230187200932107913503323151702859325089131042012601451260942203.5 实验步骤及注意事项3.5.1 控制方式及功能 测量方法是依据稳态测量方法，即当系统达到稳定时，将被测量参数采集下来，并通过如下公式，进行计算，最终得出数据整理结果。 在进入测量界面之前，被测试验件型号、制造单位、设定温度、传热面积、流量范围等输入值均以人机对话的方式输入计算机。试验台运行时，在屏幕上实时更新显示两侧的状态参数和变化趋势图，如常气的进出口温度、流量、流阻，被控制的量的现状态以
42、及如控制按钮和模拟量输出情况等。实验过程中，系统的温度、流量、加热功率可依靠计算机进行调节、切换等，当实验件的水进口温度稳定在某一工况且系统处于热平衡（大流量工况 ,小流量工况 ）状态时，进行数据的采集（采集有两种方式，一种是由计算机自动采集，另一种计算机键盘采集）、计算、整理，打印实验数据。3.5.2实验步骤（1）接通可控硅温控装置电源，开启温控装置，设定热水的加热温度；（2）开启回水阀，开启水泵，改变调节阀开度调节水流量；（3）开启风机，将风门开到最大开度；（4）开启高温燃气发生器，最大负荷；（5）待水温到达设定温度并稳定30分钟后，读取有关数据（注意水流量也应稳定）；（6）逐次减小高温燃
43、气发生器的负荷改变实验工况，每改变一次工况稳定30分钟后再读数据。3.5.3 注意事项1. 热水温度一般设定在60；2.水流量一般选在5001800L/h左右；3.测传热系数K时，维持恒定水流量，改变不同的高温燃气发生器的负荷进行试验。4. 可控硅温控装置设定热水温度一般取60；5. 水流量一般选在0.080.1kg/s(涡轮流量计的频率数约在300400Hz)；6. 为使输给温控装置信号的电阻温度计能感受到水箱的水温，回水阀不能关死；7.采集单元功能插板中各被测参数的通道号为：ch1大气温度T0ch2空气进口温度Ta1ch3空气出口温度Ta2ch4水进口温度Tw1ch5水出口温度Tw2ch6压差传感器ch7涡轮流量计3.5.4 试验数据输出1打印或抄录实验数据表； 2. 标准传热量与气侧雷诺数的关系曲线； 3. 传热系数与气侧雷诺数的关系曲线； 4. 阻力压降与气侧雷诺数的关系曲线。心得体会 毕业设计是学生综合学习的一个难得的机会，同时它也是检验这几年大学学习
