齊林宇，唐 晶，魏文澤，孫雅麗，劉長(zhǎng)海

(東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

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基于C++Builder的換熱器性能試驗(yàn)平臺(tái)測(cè)控軟件的開(kāi)發(fā)

齊林宇，唐 晶，魏文澤，孫雅麗，劉長(zhǎng)海

(東北石油大學(xué) 機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，黑龍江 大慶 163318)

換熱器性能測(cè)試是換熱器設(shè)計(jì)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié),對(duì)其結(jié)構(gòu)優(yōu)化及性能評(píng)估具有重要作用；針對(duì)傳統(tǒng)的換熱器性能測(cè)試系統(tǒng)存在試驗(yàn)周期長(zhǎng)、組合方案少，自動(dòng)化水平不高、可重用應(yīng)用性較差等不足，文章基于工業(yè)控制計(jì)算機(jī)和C++ Builder軟件平臺(tái)開(kāi)發(fā)了換熱器性能試驗(yàn)測(cè)控與仿真系統(tǒng)；該系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)工況參數(shù)的控制與過(guò)程仿真、試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集記錄與分析處理等各項(xiàng)操作的自動(dòng)化；文章在簡(jiǎn)要介紹換熱器性能測(cè)試系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，具體結(jié)合系統(tǒng)硬件介紹了利用C++ Builder制作的換熱器仿真實(shí)驗(yàn)測(cè)控系統(tǒng)的方法及過(guò)程，最后給出換熱器性能測(cè)試仿真實(shí)驗(yàn)用戶界面及仿真實(shí)驗(yàn)運(yùn)行結(jié)果；試驗(yàn)結(jié)果表明，測(cè)控系統(tǒng)具有交互界面良好、使用方便，可靠性高等特點(diǎn)，能夠較好地滿足換熱器性能測(cè)試的要求。

C++ Builder；換熱器；測(cè)控軟件；性能測(cè)試

0 引言

換熱器是工業(yè)傳熱過(guò)程中必不可少的設(shè)備，幾乎在所有的工業(yè)領(lǐng)域里都有使用，其理論研究也相當(dāng)深入[1-2]。實(shí)驗(yàn)用換熱器也是較為熱門(mén)的研究方向，其對(duì)換熱器的教學(xué)、性能研究和結(jié)構(gòu)優(yōu)化均具有重要意義[3]。在換熱器應(yīng)用領(lǐng)域，其結(jié)構(gòu)形式及換熱介質(zhì)多種多樣，對(duì)各種型式換熱器性能的檢測(cè)和對(duì)其換熱能力的把握日顯重要。根據(jù)試驗(yàn)與教學(xué)科研需要，作者建立了一個(gè)換熱器性能試驗(yàn)裝置。為實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集記錄與分析處理，開(kāi)發(fā)了基于C++Builder可視化的編程環(huán)境測(cè)控系統(tǒng)[4]。實(shí)現(xiàn)了試驗(yàn)工況參數(shù)的調(diào)節(jié)與控制的自動(dòng)化，并可將記錄數(shù)據(jù)自動(dòng)生成統(tǒng)一格式的試驗(yàn)報(bào)告?？蓪?duì)換熱器的綜合性能進(jìn)行全面地測(cè)試，為換熱器的新品開(kāi)發(fā)與改進(jìn)設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)依據(jù)和驗(yàn)證手段。

1 換熱器性能試驗(yàn)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

目前的化工實(shí)驗(yàn)裝置大多側(cè)重于單方面的靜設(shè)備或動(dòng)設(shè)備的測(cè)試和檢修，各實(shí)驗(yàn)裝置之間具有很大的重復(fù)性，造成了不必要的浪費(fèi)；換熱器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)裝置也多限于單臺(tái)換熱器之間的獨(dú)立測(cè)試[5-6]，換熱器的串、并聯(lián)組合測(cè)試裝置鮮見(jiàn)報(bào)道?，F(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備，泵與換熱器的形式較單一，可控參數(shù)少，因此在換熱器性能試驗(yàn)系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)上，采用了如圖1所示的工藝流程，該系統(tǒng)包括流體輸送部分、組合式換熱器兩部分組成，其中流體輸送部分包括高位水箱、冷水箱、熱水箱、并聯(lián)泵組、閥門(mén)、檢測(cè)儀表，而換熱器部分包括可拆管束的光管換熱部分、中間串聯(lián)管箱、盲板、低翅片管部分及檢測(cè)儀表等。不但能完成換熱器的性能測(cè)試與泵的性能測(cè)試獨(dú)立實(shí)驗(yàn)，還能開(kāi)展泵與換熱器聯(lián)合實(shí)驗(yàn)，可通過(guò)改變泵的出口壓力、流量、水箱的溫度來(lái)控制實(shí)驗(yàn)變量的擾動(dòng)。此外該套裝置，結(jié)構(gòu)參數(shù)可變，設(shè)備之間可任意組合，可基于此平臺(tái)開(kāi)展多工況下的性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，操作人員可自行擬定多種操作方案，進(jìn)行開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)，該換熱器可開(kāi)展的基本性能測(cè)試試驗(yàn)如表1所示。

圖1 試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)備布置及工藝流程

2 測(cè)控系統(tǒng)的功能及特點(diǎn)

換熱器測(cè)控系統(tǒng)概括起來(lái)包括硬件和軟件兩部分。其中硬件部分也就是前文所述換熱器實(shí)驗(yàn)裝置，軟件部分主要是包括實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)通訊、監(jiān)測(cè)和控制等功能的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。對(duì)于整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，硬件部分和軟件部分是不可分割的，即兩者之間是相互通信的，來(lái)自于控制對(duì)象的數(shù)據(jù)通過(guò)檢測(cè)儀表實(shí)時(shí)的進(jìn)行采集并通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換傳輸給工控機(jī)，工控機(jī)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理，然后發(fā)出控制命令。然后通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換，將控制命令發(fā)送給控制對(duì)象，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)控制對(duì)象的控制[7]。

表1 平臺(tái)試驗(yàn)工況及設(shè)備切換狀態(tài)

換熱器的性能測(cè)試試驗(yàn)就是建立一個(gè)滿足換熱器設(shè)計(jì)工況的溫度和流量條件，測(cè)試在此工況條件下，換熱器的換熱能力及流動(dòng)阻力，并模擬各種實(shí)際使用條件，測(cè)試其性能指標(biāo)的變化情況。因此換熱器的測(cè)試實(shí)驗(yàn)必然涉及自變量參數(shù)的調(diào)節(jié)與控制以及換熱過(guò)程參量的監(jiān)測(cè)。在工業(yè)控制計(jì)算機(jī)出現(xiàn)以前，上述參數(shù)的計(jì)量和控制是通過(guò)人工手動(dòng)調(diào)節(jié)和目視讀數(shù)，這種傳統(tǒng)方式導(dǎo)致的結(jié)果往往是參數(shù)調(diào)節(jié)不可避免存在較大誤差并具有遲滯性，且試驗(yàn)人員勞動(dòng)強(qiáng)度大。而工業(yè)控制計(jì)算機(jī)及相應(yīng)的數(shù)字閥門(mén)、儀表的出現(xiàn)，大大提高了監(jiān)測(cè)的效率及自動(dòng)化水平。試驗(yàn)人員可以通過(guò)計(jì)算機(jī)來(lái)設(shè)定控制變量、可隨時(shí)監(jiān)測(cè)各個(gè)數(shù)據(jù)采集點(diǎn)返回的溫度、壓力、壓力差和流量等數(shù)據(jù)，并依此判斷試驗(yàn)所處狀態(tài)，并可以隨時(shí)進(jìn)行人工干預(yù)。借助C++builder，試驗(yàn)人員可實(shí)時(shí)對(duì)反饋信號(hào)進(jìn)行PID調(diào)節(jié)[8]，使實(shí)驗(yàn)參數(shù)與給定值一致，并可記錄并繪制測(cè)試參數(shù)的變化趨勢(shì)。

3 試驗(yàn)參數(shù)的測(cè)試和控制方法

3.1 試驗(yàn)參數(shù)的確定及測(cè)控方法

換熱器的性能測(cè)試主要包括換熱器換熱能力的考量和換熱介質(zhì)在管路中流動(dòng)阻力的測(cè)試。對(duì)于換熱器的換熱能力即換熱量，由其理論公式(1)[9]可知，其主要與如下參數(shù)有關(guān)：

(1)

式中,Q為換熱量；K為總傳熱系數(shù)；S為換熱面積；Δtm為對(duì)數(shù)平均溫度差；W為換熱介質(zhì)流量；Cp為換熱介質(zhì)比熱容；ΔT為換熱介質(zhì)換熱前后溫差。

1)傳熱面積S:影響換熱面積S的主要因素有換熱管內(nèi)徑、換熱管長(zhǎng)度、換熱管根數(shù)等，對(duì)于一臺(tái)設(shè)計(jì)完成的換熱器，在不改變結(jié)構(gòu)參數(shù)的前提下，其換熱面積為一恒定值。因此在測(cè)控系統(tǒng)中為已知量。

2)傳熱系數(shù)K:傳熱系數(shù)的數(shù)值大小間接反映了換熱器熱傳遞的能力，在理論計(jì)算中，其數(shù)值為一估計(jì)值，而在實(shí)際工作中它與換熱介質(zhì)流速、湍流狀態(tài)、污垢狀態(tài)等參數(shù)有關(guān)，因此傳熱系數(shù)是一個(gè)與待測(cè)參數(shù)有關(guān)的變量，不能直接測(cè)定，因此需要在獲得其他參數(shù)的基礎(chǔ)由(1)式獲得。

3)對(duì)數(shù)平均溫度差Δtm：

對(duì)數(shù)平均溫度差的計(jì)算公式為：

(2)

式中,ΔT1表示熱流體的進(jìn)、出口溫差，ΔT2表示冷流體的進(jìn)、出口溫差。這里涉及4個(gè)變量，其中冷、熱流體的出口溫度屬于待測(cè)參數(shù)，可采用裝配式熱電阻傳感器進(jìn)行測(cè)量；而冷、熱流體的進(jìn)口溫度為控制參數(shù)、對(duì)于熱流體側(cè)的加熱方式采用電熱管，與出口溫度相同通過(guò)熱電阻進(jìn)行計(jì)量，電熱管的加熱功率受計(jì)算機(jī)PID(Proportional-integral-differential,比例-積分-微分)控制，保證試驗(yàn)參數(shù)滿足給定條件。

4)冷水或熱水流量W:該參數(shù)為控制參數(shù)，其值可通過(guò)泵的轉(zhuǎn)速及電磁閥門(mén)的開(kāi)度調(diào)節(jié)來(lái)控制，其參數(shù)的設(shè)定可由孔板流量計(jì)示數(shù)進(jìn)行反饋。

5)其他待測(cè)參數(shù):為測(cè)量換熱器的流動(dòng)阻力，換熱器冷、熱流體進(jìn)出側(cè)壓力亦為待測(cè)變量。需在相應(yīng)位置設(shè)置壓差變送器及壓力表。對(duì)于水箱，其液位為試驗(yàn)人員需關(guān)注的對(duì)象，以防止其溢出，因此，3個(gè)水箱處的液位為待測(cè)變量，這里選用磁浮子液位計(jì)進(jìn)行計(jì)量。

根據(jù)上述參數(shù)的選擇與分析，將各參數(shù)匯總于表2用于區(qū)分控制參數(shù)、測(cè)量參數(shù)及計(jì)算參數(shù)。各參量測(cè)試采用的儀表情況如表3所示[10-13]。

表2 換熱器性能試驗(yàn)參數(shù)匯總

表3 儀表選用

3.2 基于C++Builder的功能實(shí)現(xiàn)

根據(jù)前文的分析，測(cè)控仿真系統(tǒng)需滿足試驗(yàn)參數(shù)的設(shè)定、調(diào)節(jié)、顯示、記錄、數(shù)據(jù)處理等功能。因此借助C++builder中的內(nèi)置控件、并對(duì)其進(jìn)行程序編輯可實(shí)現(xiàn)上述功能。

3.2.1 參數(shù)輸入控件

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)要求對(duì)冷、熱水的入口溫度及流量進(jìn)行設(shè)定，利用C++builder中的內(nèi)置TrackBar組件的特性，可以實(shí)現(xiàn)參數(shù)的給定功能[14]。TrackBar組件，相當(dāng)于一個(gè)滾動(dòng)條，其下方設(shè)有刻度，用于計(jì)量調(diào)節(jié)的數(shù)值，該控件可與Edit控件配套使用，當(dāng)滑動(dòng)滑塊時(shí)，其對(duì)應(yīng)的Edit文本框中的數(shù)值也隨之變化。

3.2.2 事件觸發(fā)控件

對(duì)于試驗(yàn)過(guò)程的開(kāi)停車(chē)、需要在程序中完成流程的啟閉功能，這里可使用內(nèi)置的TButton組件，通過(guò)對(duì)其屬性中的OnClick事件中加入相應(yīng)代碼，就可以對(duì)某一事件進(jìn)行觸發(fā)或關(guān)閉操作，通過(guò)這一特性，可實(shí)現(xiàn)整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程的啟閉或某一事件的觸發(fā)。

3.2.3 參數(shù)顯示控件

對(duì)于各種待測(cè)參數(shù)，其測(cè)量結(jié)果、計(jì)算結(jié)果均需在軟件界面上直觀顯示，C++builder中的文本框Edit組件用來(lái)顯示、編輯單獨(dú)的一行文本，多用于完成用戶的單行輸入，特別的，可以通過(guò)對(duì)其屬性的限制或者編寫(xiě)對(duì)應(yīng)的事件函數(shù)來(lái)完成具有特定限制條件的輸入。在軟件平臺(tái)中，Edit組件主要用來(lái)顯示數(shù)值和數(shù)值的輸入。

每一臺(tái)泵的進(jìn)出口以及換熱器的進(jìn)出口都會(huì)放置一個(gè)Edit組件，用來(lái)顯示泵的進(jìn)出口的流量、壓力和冷、熱流體在經(jīng)過(guò)換熱器前和經(jīng)過(guò)換熱后的溫度和壓強(qiáng)，也可以直接輸入換熱器中冷、熱流體的溫度大小，和組件TrackBar組件作為輸入控件。

3.2.4 文件調(diào)用控件及其它組件

此外，對(duì)于試驗(yàn)結(jié)果的記錄與調(diào)用顯示，需要對(duì)記錄文件進(jìn)行調(diào)用和顯示，這里可以采用其內(nèi)置的OleContainer組件、用于控制流程時(shí)間的TTimer組件及用于分頁(yè)操作的PageControl組件等。

3.3 交互界面設(shè)計(jì)

良好的交互性是測(cè)控系統(tǒng)界面設(shè)計(jì)的前提，由圖2所示，軟件界面包含標(biāo)題欄、選項(xiàng)欄、工藝管路、指示欄四部分組成。由表1可知，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包含7種工況，為突出各工況試驗(yàn)流程顯示，可將圖1所示工藝進(jìn)行部分隱藏，并分別設(shè)置4個(gè)操作界面對(duì)應(yīng)4種管路切換狀態(tài)即“光管”、“翅片管”、“串聯(lián)”、“并聯(lián)”；為輔助試驗(yàn)人員了解本套裝置，設(shè)置兩個(gè)輔助界面“總覽”和“幫助”，選項(xiàng)切換通過(guò)PageControl控件來(lái)實(shí)現(xiàn)；由于C++ Builder軟件本身不具備繪圖功能，因此軟件背景及工藝流程圖需用第三方繪圖軟件輔助繪制，并通過(guò)Image組件置于軟件內(nèi)部，為體現(xiàn)設(shè)備的結(jié)構(gòu)，這里在設(shè)備位置設(shè)置三維貼圖[15]。為區(qū)分工藝介質(zhì)，分別采用顏色對(duì)冷、熱換熱介質(zhì)換熱前后進(jìn)行標(biāo)識(shí)，并在界面右側(cè)的指示欄進(jìn)行指示。在界面設(shè)置完成后，根據(jù)設(shè)備及管路位置，分別插入TrackBar、TButton、ProgressBar等控件，并可依據(jù)圖片背景調(diào)整控件的位置，為突出控件顯示控件設(shè)置可設(shè)置為亮綠色，與淡藍(lán)色背景形成鮮明對(duì)比。

控件位置設(shè)置完畢后，需對(duì)控件屬性進(jìn)行代碼編寫(xiě)并建立函數(shù)調(diào)用關(guān)系。對(duì)于數(shù)據(jù)采集與控制部分，可通過(guò)信號(hào)調(diào)理板實(shí)現(xiàn)。直接利用隨硬件A/D板卡廠商提供的可供各種高級(jí)語(yǔ)言調(diào)用的動(dòng)態(tài)鏈接庫(kù)(DLL)，使用BCB的implib工具實(shí)現(xiàn)隱式調(diào)用，在相應(yīng)的位置進(jìn)行聲明后,即可直接調(diào)用聲明的函數(shù)。對(duì)于數(shù)據(jù)顯示和記錄部分，采用ADO數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)，通過(guò)ADO與Microsoft的Access數(shù)據(jù)庫(kù)相連，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)保存和數(shù)據(jù)查詢功能。向工程中加入組件ADODataSet，Datasource，DBGrid等組件，并通過(guò)Microsoft Jet 4.0 OLE DB Provider實(shí)現(xiàn)與Access創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)鏈接。這樣即可完成試驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集與記錄工作。

圖2 軟件界面概覽

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

為了驗(yàn)證本系統(tǒng)的可行性和準(zhǔn)確性，以光管換熱器低翅管換熱器串聯(lián)為例，當(dāng)測(cè)控系統(tǒng)啟動(dòng)后，單擊“串聯(lián)”按鈕切換到串聯(lián)工況，如圖2所示，根據(jù)圖示工藝管路對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行管路閥門(mén)切換，并在軟件界面設(shè)置冷熱水箱溫度TIC-1和TIC-2，設(shè)置滑動(dòng)冷、熱水泵流量FIC-1和FIC-2，點(diǎn)擊“開(kāi)始”按鈕，此后水箱處顯示出回收水箱液位變化情況。換熱器進(jìn)出口溫度、壓力儀表由檢測(cè)儀表檢測(cè)并發(fā)出4～20 mA信號(hào)，經(jīng)轉(zhuǎn)換電路處理為數(shù)字信號(hào)顯示在軟件對(duì)應(yīng)的控件中，軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄，當(dāng)達(dá)到給定試驗(yàn)條件時(shí)，點(diǎn)擊“結(jié)果”按鈕即可彈出該工況下的換熱曲線如圖3所示。

圖3 20～70℃串聯(lián)工況下試驗(yàn)獲得的換熱曲線

由圖3可知，測(cè)控系統(tǒng)可以對(duì)試驗(yàn)過(guò)程中冷熱流體進(jìn)出口溫度的變化進(jìn)行實(shí)施監(jiān)測(cè)，并自動(dòng)記錄數(shù)據(jù)。試驗(yàn)結(jié)束后，系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)記錄進(jìn)行自動(dòng)處理，并繪制冷、熱流體換熱曲線，用戶可以從界面清晰地了解試驗(yàn)過(guò)程中冷、熱流體溫度的變化趨勢(shì)，并結(jié)合流量、壓力參量，進(jìn)一步獲得熱損失、傳熱量等換熱器特性參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)整體換熱器性能的評(píng)估。降低了換熱器因工況組合，以及管束類型、數(shù)量變化以及流程切換后重復(fù)性試驗(yàn)的產(chǎn)生的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了試驗(yàn)效率。

5 結(jié)論

本文基于C++builder軟件平臺(tái)的建立了換熱器性能試驗(yàn)測(cè)控與仿真系統(tǒng)，通過(guò)軟件編程與工業(yè)控制計(jì)算機(jī)接口、采集卡、轉(zhuǎn)換電路、儀表及電磁閥門(mén)的通信端口連接和數(shù)據(jù)交換，

實(shí)現(xiàn)了換熱器性能測(cè)試試驗(yàn)的自動(dòng)化，降低了試驗(yàn)人員勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)提高了試驗(yàn)效率及穩(wěn)定性。基于該測(cè)試實(shí)驗(yàn)可開(kāi)展多工況下的性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)，操作人員可自行擬定多種操作方案，進(jìn)行開(kāi)放性實(shí)驗(yàn)；其測(cè)試結(jié)果對(duì)換熱器的設(shè)計(jì)、優(yōu)化、選型、運(yùn)行維護(hù)均具有重要的指導(dǎo)作用。

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Software Development of Heat Exchanger Performance Testing Based on Builder C++

Qi Linyu，Tang Jing，Wei Wenze，Sun Yali, Liu Changhai

(College of Mechanical Science and Engineering, Northeast Petroleum University, Daqing 163318,China)

Performance tests for heat exchanger, which are important parts in the design of heat exchanger, have great significance on structural optimization and performance evaluation. In the view of traditional heat exchanger performance test system have the characteristics of long test period, little combination, less automation level, and poor reusability,a kind of control and measure system for heat exchanger performance testing,which is based on the industrial control computer and Builder C++ software platform, is introduced. The system realizes the automation operate such as value control and process simulation, the collection,record and analysis of the test data.On the basis of the hardware design of the system, the paper introduces the programming method by using C++ Builder, and finally gives the user interface and simulation results of the heat exchanger.The result shows that this system has a good interface and easy to use with high reliability, which can meet the requirements of performance test for heat exchanger.

C++ Builder; heat exchanger: measurement and control software; performance testing

2015-11-24；

2016-01-07。

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(11272084);國(guó)家大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(201410220003)。

齊林宇(1991-)，男，黑龍江克山人，研究生，主要從事過(guò)程裝備與控制工程方向的研究。

劉長(zhǎng)海(1964-)，男，黑龍江大慶人，博士，教授，主要從事化工裝備的疲勞損傷與可靠性研究工作。

1671-4598(2016)06-0139-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2016.06.038

TP274

A