钱作勤

(武汉理工大学 能源与动力工程学院，武汉430063)

近些年来，在日益激烈的竞争背景下，高等教育科研本位思想上升、科研与教学脱离甚至科研影响教学的现象时有发生。如何正确处理科研与教学之间的关系，努力实现两者的协同发展已经成为高等教育需要重点解决的问题［1-4］。以本校能源与动力工程学院船舶换热器试验台架系统开发为对象，就高校实验室兼顾科研与教学的协同发展谈谈其技术实现。

船舶工业领域，换热器主要用于中央冷却器、淡水冷却器、柴油机冷却器、缸套水冷却器、润滑油和传动油冷却、重燃料油和柴油的预热。考虑到轮机工程专业的专业特色，为了培养学生的认知能力和实际动手能力，建立专门的船舶换热器实验室。该实验室可以对船舶上常用的多种类型的换热器进行不同工况的试验测试，为换热器的相关数值模拟仿真研究提供试验数据支持。

1 换热器试验台架系统组成

板翅式换热器因其换热效率高和结构紧凑的特点，广泛地应用到机械、化工和交通等行业中，应用范围越来越宽，重要性也日显突出。在板翅换热器应用领域，换热介质多种多样，换热器翅片形式也多种多样，并不断有新形式的翅片被采用，对各种形式换热器性能的检测［5］和对其换热能力的把握日显重要。根据用户需要，建立换热器性能试验装置，对换热器的综合性能进行全面测试，为换热器的新品开发与改进设计提供设计依据和验证手段。

1.1 试验台开发软件工具

鉴于Matlab可为测试及仪表软件提供良好的多种经典的信号处理函数和信号分析工具，将Matlab作为测控系统的开发平台。

1.2 系统概述

1.2.1 换热器性能试验系统

换热器换热能力的大小以及进行热量传递的各路流体流动阻力的大小，是衡量换热器好坏的两项重要指标。其与热介质的温度及其流动速度有很大的关系。换热器性能试验，就是建立一个满足换热器设计工况的温度和流量条件，测试在此工况条件下，换热器的换热能力以及流动阻力，并模拟各种试验使用条件，测试器性能指标的变换情况。构建换热器性能试验系统见图1。

1.2.2 测控系统的功能和特点

测控系统的搭建是基于Matlab的GUI开发工具，利用计算机PC进行上位界面显示，实现即时数据的显示和各个设备的开关操作以及手动调节操作。系统采用四线铂电阻温度变送器、压阻力式和压差式传感器、流量传感器，配备有ADAM5000系列数据采集模块，进行试验数据的采集并向计算机传输和实验设备的操控。

图1 系统布置示意

系统实现集中控制，具有很强的自动调节功能。对所有设备的开停和调节，都可以在上位计算机PC中基于Matlab的GUI工具开发的操作界面中实现，是实验操作轻松简便，减轻了操作人员的劳动强度，大大提高了工作效率。试验人员通过计算机显示屏，可即时了解各种数据采集点的温度、压力、压差和流量、液位数据，并以此判断试验所处的状态，随时实施人工干预。

自动调节系统利用计算机程序处理，代替了传统的智能控制仪进行PID计算，计算结果转换成控制信号，通过输出模块与转换器输送到各个执行设备。

2 试验参数的测试和控制方法

2.1 测试方法

换热器的性能参数主要有换热量和换热器中各介质回路的流动阻力。换热量无法直接测量，需要通过测量温差和流量，经计算得出。试验中需要测量的物理量主要有流量、温度、压力和压差。冷却侧水流量的测量和热油侧油质的测量，在其进出口出选取合适的压力测量点，根据试验条件精度要求，选择标准直径大小的流量测量计，根据压力差和管口的标准直径计算出工质流量。温度的测量采用四线铂电阻温度变送器;压力和压差的测量采用了压阻式压力变送器和压差变送器。这些高精度、高灵敏度的传感器的选用，提高了各状态参数数据采集的精度和速率，保证数据采集的准确性和即时性［6-7］。

2.2 系统数据采集

测控系统对各处理系统中的换热介质的状态参数实现统一的测量和控制，其硬件框图见图2。

图2 系统数据采集结构组成

测量压力、温度和流量及液位的压力变送器、铂电阻温度传感器、流量计以及液位计将实际测量数据的模拟信号转换成易于传输的统一的标准4～20 mA的彼岸准电流信号传给ADAM5000系列模块集的对应模块上，如温度信号传给ADAM5013模块。计算机通过串口与数据采集模块进行通信。计算机时钟控制系统定时发出数据采集命令，数据采集仪接到命令后，执行一次扫描，并将采集到的一组数据打包，即时向计算机传输。计算机接受到的数据后，经过分解转换成为相应的物理量，显示于上位机监控界面上。

测得的流量计和驱动电机的变频器，利用一条485数据线，通过RS232/RS485转换器和接口实现与上位计算机的通信，实时向计算机返回数据，并受计算机控制。流量计的数据采集由计算机控制定时进行，变频器的运转与数据输出由人工操作，两路设备的通信在程序中实现交替工作模式。在通信线路被其它设备占用时，设备的通信将执行等待指令，等待线路空闲后，在实施通信。保证通信线路在任一时间内，只被通信线路而产生冲突。

2.3 工况的调节与控制

计算机采集到数据后，随即进行分解，将其中需要控制的温度、压力、流量等参数与设定参数进行对比，进行比例积分微分计算，计算结果直接输出至调节设备进行调节。数据采集［8-10］有一定的时间周期，将数据采集、PID计算与输出调节在一个循环程序中，数据采集后即时进行计算、输出、调节，这样保证了调节的即时性，可减少试验参数因调节之后而造成的波动，控制效果好。

在需要调节的各参数中，流量的调节通过改变驱动电机的转速实现，温度通过调功器进行调节加热量，液位只作指示作用，不需进行调节。

2.4 试验参数、数据记录以及文件保存

为使系统可针对多种换热介质进行试验，需要在系统中设定多种试验参数。通常情况下，试验周期较长，而且需要对某一产品进行多次试验。在试验程序中，设计有试验参数的保存与调用程序，为试验提供方便、简化了试验操作;同时又可以避免因人为因素造成的参数设定的不一致，保证了重复性试验的一致性。

试验数据记录和试验中诸如试验产品信息、流量测量等的选择信息，PID参数设定等，都采用文件的方式进行保存和调用。试验数据文件名和路径的保存，可由操作者自行指定。将文件名和保存路径作为变量储存于计算机中，生成实验报告时，可调用相应的文件。程序可自动生成统一的格式记录报告。

2.5 操作界面

此测控系统的操作界面较多，引导界面为系统的功能分支铵钮，包含参数设置铵钮、试验监控铵钮、数据处理铵钮，点击后可分别调用这三部分的监控界面;主操作界面为监控系统的布置图以及相应位置的各个仪表和调节控制铵钮等;辅助界面包含个中仪表选择和通道设置，以及监控图表和处理曲线等。启动系统后，首先进入一个引导界面，操作者根据实验需求和工况条件，进行参数配置和选择，设定完成后进入主操作界面，系统启动运行，在主界面中可以实时查看各仪表的测量参数和控制参量。试验参数设定和PID调节板两界面在退出时，设定的参数自动保存与计算机文件中，为使用者提供方便。系统监控界面主视图见图3。

图3 系统监控界面主视图

3 科研和教学的协同应用

传统的实验室教学偏重对理论的验证，束缚了学生的思维，容易降低学生的积极性［11］，为改变过去教学实验过程中的验证性思维模式，在教学过程中增加设计性、创新性、综合性实验项目，既可以激发学生的创造性思维，提高教学成果;同时，实验结果可以为科学研究提供数据参考，促进科研的发展。这样的发展模式对于科研水平的提高和教学成果的取得都有积极的意义。

换热器性能参数试验台用于测量换热器的性能，通过试验测量介质不同的温度和流速下换热器的总换热量、总传热系数K、压力降ΔP以及这些参数与流体流速的关系，并可以根据实验结果，比较不同类型换热器的工作特点和应用范围。传统的换热器试验台架测试系统由独立的仪表组成，需要人工读数和计量，测试结果的实时性和准确性差，离散度大，可比性不强，为实验教学和科学研究带来了困难［12］。随着传感器性能的提高和测试技术的不断完善，本系统一方面提高了本科生的实践教学效率，同学们能更熟练地掌握换热器性能参数，单组实验效率提高;另一方面，研究生的科研实验创新性得到开发，试验参数对比范围更广;同时，在计算机仿真分析的结果验证方面，试验结果和仿真结果更一目了然。

4 结论

1)改革试验课程设置。基于动手能力和创新思维的培养，加大设计性试验的比重，在各试验前，学生结合相关的专业知识，对影响换热器传热性能的参数进行设置，确定各个物理量的大小，根据自己的分析提出设计试验方案，试验过程中在Matlab界面输入各参数的值，进行试验，观察分析结果并保存数据，以便供研究生对不同参数进行对比，其实这本身就是科研实践的一个环节。

2)创新教学方式方法。在试验的教学过程中，组织研究生进行指导，一方面加深交流，为参数的优化提供思路;另一方面，试验对不同的参数进行对比，可从中选出对性能较好的数据。

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