CN102359976A - 一种汽车空调换热器散热性能稳定性检测的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车空调换热器散热性能稳定性检测的装置和方法。恒温水箱经水量调节阀与耐高温安全水泵的进水口相连，同时与换热器出口端相连；水泵的出水口经流量计与换热器进口端相连；多个温度传感器放置在换热器周围，并与数据采集***相连后接数据处理中心。风扇放置在换热器迎风面的正前方。恒温水箱提供恒定的热水；水泵为热水增压；温度传感器测水跟空气经过换热器前后的温度；流量计测水经过换热器时的流量；风扇模拟实际工作的状态；数据采集***将温度传感器与流量计采集的信号转换为数据；数据处理中心分析采集的数据，得出换热器的传热系数与散热性能稳定性结果。本发明能对汽车空调换热器散热性能进行稳定性检测，检测可靠。

Description

一种汽车空调换热器散热性能稳定性检测的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种换热器散热性能稳定性的装置和方法，尤其是涉及一种汽车空调换热器散热性能稳定性检测的装置和方法。

背景技术

汽车空调换热器是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，是汽车空调***的重要组成部分。换热性能是衡量汽车空调换热器质量的一项重要指标，换热性能稳定性将直接关系到换热器工作的效果，如果这个指标达不到规定要求，将严重影响换热器的换热效果，因此急需一个检测换热器换热性能的检测装置和方法。现有的换热器换热性能测试使用的冷却液主要是氟利昂，测试数据项繁多，这对整个装置的气密性及结构要求非常高，测试结束后，换热器中残留的氟利昂也会对大气造成污染，同时这种方法操作复杂、成本昂贵，而且性能可靠的国外产品还常常受到技术封锁。因此迫切需要一种简易、环境友好的汽车空调换热器散热性能稳定性检测的装置和方法。

发明内容

为克服背景技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种汽车空调换热器散热性能稳定性检测的装置和方法，使用水作为冷却液，性能测试结束后不会造成任何污染，并且操作简单，需要测量的数据项少。运用热力学公式的计算，得出换热器的传热系数，通过对传热系数的分析，达到散热性能稳定性检测目的。

本发明采用的技术方案是：

一、一种汽车空调换热器散热性能稳定性检测的装置：

包括恒温水箱、水量调节阀、耐高温安全水泵、流量计、风扇、多个温度传感器、数据采集***、数据处理中心和显示器；恒温水箱经水量调节阀与耐高温安全水泵的进水口相连，恒温水箱与换热器出口端相连；耐高温安全水泵的出水口经流量计与换热器进口端相连；多个温度传感器分别放置在换热器进出口端和迎风面正前与正后方即进气面与出气面，流量计和温度传感器通过数据线与数据采集***相连；数据采集***经数据处理中心接显示器；风扇放置在换热器迎风面的正前方；恒温水箱、耐高温安全水泵、流量计、风扇、数据采集***、数据处理中心和显示器均接交流电源。

所述的耐高温安全水泵的介质温度范围为0℃～110℃，最大扬程大于等于30m。

所述的温度传感器为八个，一个设置在换热器进口端，一个设置在换热器出口端，三个设置在换热器迎风面正前方即进气面，三个设置在换热器迎风面正后方即出气面。

所述的温度传感器为热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器或IC温度传感器，测温范围为0℃～110℃。

所述的流量计为涡轮流量计、电磁流量计或超声波流量计。

二、一种汽车空调换热器散热性能稳定性检测的方法，它包括以下几个步骤：

1)将换热器垂直放置，八个温度传感器，一个设置在换热器进口端，一个设置在换热器出口端，三个设置在换热器迎风面正前方即进气面，三个设置在换热器迎风面正后方即出气面；

2)开启恒温水箱，设定温度为60℃～80℃；

3)打开水量调节阀，开启耐高温安全水泵，水从恒温水箱流经水量调节阀、耐高温安全水泵、流量计、换热器回到恒温水箱；

4)风扇安装在换热器迎风面正前方，开启风扇加速散热；

5)八个温度传感器和流量计通过数据线与数据采集***相连，数据采集***和数据处理中心通过数据线相连，开启数据采集***与数据处理中心，设置温度传感器与流量计数据采集时间间隔为10秒；

6)待水温和水流量稳定后，通过数据处理中心发出指令开始采集数据；

7)数据处理中心根据数据采集***采集到的换热器进口端水流量，进口端水温，出口端水温，进气面温度，出气面温度和被测换热器的散热面积计算得出传热系数；

设测得某时刻换热器进口端水流量为V(m³/s)，进口端水温为t₁(℃)，出口端水温为t₂(℃)，进气面三个点的温度为t₃₁(℃)、t₃₂(℃)、t₃₃(℃)，出气面三个点的温度为t₄₁(℃)、t₄₂(℃)、t₄₃(℃)。

换热器进出口端水的温差为Δt(℃)

Δt＝t₁-t₂

换热器进气面平均温度为t₃(℃)

$t_3=\frac{t_{31}+t_{32}+t_{33}}{3}$

换热器出气面平均温度为t₄(℃)

$t_4=\frac{t_{41}+t_{42}+t_{43}}{3}$

空气与水的平均对数温差为Δt_m(℃)

$\mathrm{\Δ}{t}_m=\frac{(t_1-t_2)-(t_2-t_4)}{\ln \frac{l_1-l_3}{l_2-l_4}}$

设水的比热为c[J/Kg·℃]，水的密度为ρ(Kg/m³)，则该时刻流过换热器的水的质量流量为M(kg/s)

M＝ρV

该时刻水放出的热量为Q_水(W)，

Q_水＝cMΔt＝cpVΔt

设换热器的传热系数为K[W/(m²·℃)]，传热面积为A(m²)，则该时刻换热器带走的热量为Q_换热器(W)

Q_换热器＝KAΔt_m

根据能量守恒定律，

Q_换热器＝Q_水

将各式代入上面的等式，得到

KAΔt_m＝cρVΔt

整理得到K的计算公式：

$K=\frac{3\mathrm{c\ρV}(t_1-t_2)\ln \frac{3t_1-t_{31}-t_{32}-t_{33}}{{3t}_2-t_{41}-t_{42}-t_{43}}}{A({3t}_1+t_{41}+t_{42}+t_{43}-{3t}_2-t_{31}-t_{32}-t_{33})}$

将测得的V、t₁、t₂、t₃₁、t₃₂、t₃₃、t₄₁、t₄₂、t₄₃，计算得到的A和常量c、ρ代入上式就可以得到K值；

8)数据处理中心根据计算得出的传热系数绘出质量控制图，当传热系数超出上限或者低于下限时，***发出警报；

设时刻T_i采集到的数据计算得到的传热系数为K_i(i＝1，2，3，…，n)，K_i的平均值为

$\stackrel{\‾}{K}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{K}_i}{n}$

K_i的标准偏差为S

$S=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(K_i-\stackrel{\‾}{K})}^2}{n}}$

根据X控制图，可以得出：

控制中心线

控制上限 $\mathrm{UCL}=\stackrel{\‾}{K}+3S$

控制下限 $\mathrm{LCL}=\stackrel{\‾}{K}-3S$

当有K值超出UCL或者低于LCL时，***发出警报，表明换热器散热性能已处于非统计控制状态，即散热器散热性能出现不稳定情况。

本发明具有的有益效果是：

本发明能对汽车空调换热器散热性能进行稳定性测验，可检测和验证汽车空调换热器的可靠性，结构简单、制造容易、操作和维修方便，环保可靠。

附图说明

附图是本发明检测装置的原理图。

图中：1、恒温水箱，2、水量调节阀，3、耐高温安全水泵，4、流量计，5、水管，6、风扇，7、温度传感器，8、换热器，9、数据采集***，10、数据处理中心，11、显示器。

具体实施方式

下面结合说明书附图和实施案例对本发明作进一步的说明。

如附图所示，包括恒温水箱1、水量调节阀2、耐高温安全水泵3、流量计4、水管5、风扇6、多个温度传感器7、被测换热器8、数据采集***9、数据处理中心10和显示器11；恒温水箱1经水量调节阀2与耐高温安全水泵3的进水口相连，恒温水箱1与换热器8出口端相连；耐高温安全水泵3的出水口经流量计4与换热器进口端相连；多个温度传感器分别放置在换热器8进出口端和正前后方，流量计4和温度传感器7通过数据线与数据采集***9相连；数据采集***9经数据处理中心10接显示器11；风扇6放置在换热器8迎风面的正前方；恒温水箱1、耐高温安全水泵3、流量计4、风扇6、数据采集***9、数据处理中心10和显示器11均接交流电源。附图中实线均为水管5，实线箭头表示水的流动方向，虚线为数据线，虚线箭头表示数据的传输方向。

所述的耐高温安全水泵3的介质温度范围为0℃～110℃，最大扬程大于等于30m。

所述的温度传感器7为八个，一个设置在换热器进口端，一个设置在换热器出口端，三个设置在换热器迎风面正前方即进气面，三个设置在换热器迎风面正后方即出气面。

所述的温度传感器7为热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器或IC温度传感器，测温范围为0℃～110℃。

所述的流量计4为涡轮流量计、电磁流量计或超声波流量计。

本发明所有的水管5为热水皮管，承受温度范围为0℃～110℃。

水经过恒温水箱1加热与耐高温安全水泵3的加压，具有高温度与高压力，流经换热器回到恒温水箱1，实现水的循环利用。在换热器8换热的过程中，换热器8带走的热量等于水自身减少的热量，通过流量计4测量水流经换热器8的流量与温度传感器7测量的进出口端温度，换热器8前后空气的温度，可以算出水自身减少的热量，进而得出换热器8带走的热量。数据处理中心10将测得的数据和换热器自身的传热面积代入换热器的传热公式，得出换热器8的传热系数。分析传热系数得到换热器8散热性能稳定性结果并显示到显示器11上，如有异常结果将发出警报。

本发明的方法包括以下几个步骤：

1)将换热器垂直放置，八个温度传感器，一个设置在换热器进口端，一个设置在换热器出口端，三个设置在换热器迎风面正前方，三个设置在换热器迎风面正后方；

2)往恒温水箱中加入一定量的水，开启恒温水箱，设定温度为60℃～80℃，当恒温水箱1中水的温度低于80℃时，加热装置自动启动，当水的温度超过80℃时，加热装置自动暂停；

3)打开水量调节阀，开启耐高温安全水泵，水从恒温水箱流经水量调节阀、耐高温安全水泵、流量计、换热器回到恒温水箱；

4)风扇安装在换热器迎风面正前方，开启风扇加速散热；

5)八个温度传感器和流量计通过数据线与数据采集***相连，数据采集***和数据处理中心通过数据线相连，开启数据采集***与数据处理中心，设置温度传感器与流量计数据采集时间间隔为10秒；

6)待水温和水流量稳定后，通过数据处理中心发出指令开始采集数据；

7)数据处理中心根据数据采集***采集得到的换热器进口端水流量，进口端水温，出口端水温，进气面温度，出气面温度和被测换热器的散热面积计算得出传热系数；

设测得某时刻换热器进口端水流量为V(m³/s)，进口端水温为t₁(℃)，出口端水温为t₂(℃)，进气面三个点的温度为t₃₁(℃)、t₃₂(℃)、t₃₃(℃)，出气面三个点的温度为t₄₁(℃)、t₄₂(℃)、t₄₃(℃)。

换热器进出口端水的温差为Δt(℃)

Δt＝t₁-t₂

换热器进气面平均温度为t₃(℃)

$t_3=\frac{t_{31}+t_{32}+t_{33}}{3}$

换热器出气面平均温度为t₄(℃)

$t_4=\frac{t_{41}+t_{42}+t_{43}}{3}$

空气与水的平均对数温差为Δt_m(℃)

$\mathrm{\Δ}{t}_m=\frac{(t_1-t_2)-(t_2-t_4)}{\ln \frac{l_1-l_3}{l_2-l_4}}$

设水的比热为c[J/Kg·℃]，水的密度为ρ(Kg/m³)，则该时刻流过换热器的水的质量流量为M(kg/s)

M＝ρV

该时刻水放出的热量为Q_水(W)，

Q_水＝cMΔt＝cpVΔt

设换热器的传热系数为K[W/(m²·℃)]，传热面积为A(m²)，则该时刻换热器带走的热量为Q_换热器(W)

Q_换热器＝KAΔt_m

根据能量守恒定律，

Q_换热器＝Q_水

将各式代入上面的等式，得到

KAΔt_m＝cρVΔt

整理得到K的计算公式：

$K=\frac{3\mathrm{c\ρV}(t_1-t_2)\ln \frac{3t_1-t_{31}-t_{32}-t_{33}}{{3t}_2-t_{41}-t_{42}-t_{43}}}{A({3t}_1+t_{41}+t_{42}+t_{43}-{3t}_2-t_{31}-t_{32}-t_{33})}$

将测得的V、t₁、t₂、t₃₁、t₃₂、t₃₃、t₄₁、t₄₂、t₄₃，计算得到的A和常量c、ρ代入上式就可以得到K值；

8)数据处理中心根据计算得出的传热系数绘出质量控制图，当传热系数超出上限或者低于下限时，***发出警报；

设时刻T_i采集到的数据计算得到的传热系数为K_i(i＝1，2，3，…，n)，K_i的平均值为

$\stackrel{\‾}{K}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{K}_i}{n}$

K_i的标准偏差为S

$S=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(K_i-\stackrel{\‾}{K})}^2}{n}}$

根据X控制图，可以得出：

控制中心线

控制上限 $\mathrm{UCL}=\stackrel{\‾}{K}+3S$

控制下限 $\mathrm{LCL}=\stackrel{\‾}{K}-3S$

当有K值超出UCL或者低于LCL时，***发出警报，表明换热器散热性能已处于非统计控制状态，即散热器散热性能出现不稳定情况。

Claims (6)

1.一种汽车空调换热器散热性能稳定性检测的装置，其特征在于：包括恒温水箱(1)、水量调节阀(2)、耐高温安全水泵(3)、流量计(4)、风扇(6)、多个温度传感器(7)、数据采集***(9)、数据处理中心(10)和显示器(11)；恒温水箱(1)经水量调节阀(2)与耐高温安全水泵(3)的进水口相连，恒温水箱(1)与换热器(8)出口端相连；耐高温安全水泵(3)的出水口经流量计(4)与换热器进口端相连；多个温度传感器分别放置在换热器(8)进出口端和迎风面正前与正后方即进气面与出气面，流量计(4)和温度传感器(7)通过数据线与数据采集***(9)相连；数据采集***(9)经数据处理中心(10)接显示器(11)；风扇(6)放置在换热器(8)迎风面的正前方；恒温水箱(1)、耐高温安全水泵(3)、流量计(4)、风扇(6)、数据采集***(9)、数据处理中心(10)和显示器(11)均接交流电源。

2.根据权利要求1所述的一种汽车空调换热器散热性能稳定性检测的装置，其特征在于：所述的耐高温安全水泵(3)的介质温度范围为0℃～110℃，最大扬程大于等于30m。

3.根据权利要求1所述的一种汽车空调换热器散热性能稳定性检测的装置，其特征在于：所述的温度传感器(7)为八个，一个设置在换热器进口端，一个设置在换热器出口端，三个设置在换热器迎风面正前方即进气面，三个设置在换热器迎风面正后方即出气面。

4.根据权利要求1所述的一种汽车空调换热器散热性能稳定性检测的装置，其特征在于：所述的温度传感器(7)为热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器或IC温度传感器，测温范围为0℃～110℃。

5.根据权利要求1所述的一种汽车空调换热器散热性能稳定性检测的装置，其特征在于：所述的流量计(4)为涡轮流量计、电磁流量计或超声波流量计。

6.根据权利要求1所述装置的一种汽车空调换热器散热性能稳定性检测的方法，其特征在于它包括以下几个步骤：

1)将换热器垂直放置，八个温度传感器，一个设置在换热器进口端，一个设置在换热器出口端，三个设置在换热器迎风面正前方即进气面，三个设置在换热器迎风面正后方即出气面；

2)开启恒温水箱，设定温度为60℃～80℃；

3)打开水量调节阀，开启耐高温安全水泵，水从恒温水箱流经水量调节阀、耐高温安全水泵、流量计、换热器回到恒温水箱；

4)风扇安装在换热器迎风面正前方，开启风扇加速散热；

5)八个温度传感器和流量计通过数据线与数据采集***相连，数据采集***和数据处理中心通过数据线相连，开启数据采集***与数据处理中心，设置温度传感器与流量计数据采集时间间隔为10秒；

6)待水温和水流量稳定后，通过数据处理中心发出指令开始采集数据；

7)数据处理中心根据数据采集***采集到的换热器进口端水流量，进口端水温，出口端水温，进气面温度，出气面温度和被测换热器的散热面积计算得出传热系数；

设测得某时刻换热器进口端水流量为V(m³/s)，进口端水温为t₁(℃)，出口端水温为t₂(℃)，进气面三个点的温度为t₃₁(℃)、t₃₂(℃)、t₃₃(℃)，出气面三个点的温度为t₄₁(℃)、t₄₂(℃)、t₄₃(℃)。

换热器进出口端水的温差为Δt(℃)

Δt＝t₁-t₂

换热器进气面平均温度为t₃(℃)

$t_3=\frac{t_{31}+t_{32}+t_{33}}{3}$

换热器出气面平均温度为t₄(℃)

$t_4=\frac{t_{41}+t_{42}+t_{43}}{3}$

空气与水的平均对数温差为Δt_m(℃)

$\mathrm{\Δ}{t}_m=\frac{(t_1-t_2)-(t_2-t_4)}{\ln \frac{l_1-l_3}{l_2-l_4}}$

设水的比热为c[J/Kg·℃]，水的密度为ρ(Kg/m³)，则该时刻流过换热器的水的质量流量为M(kg/s)

M＝ρV

该时刻水放出的热量为Q_水(W)，

Q_水＝cMΔt＝cpVΔt

设换热器的传热系数为K[W/(m²·℃)]，传热面积为A(m²)，则该时刻换热器带走的热量为Q_换热器(W)

Q_换热器＝KAΔt_m

根据能量守恒定律，

Q_换热器＝Q_水

将各式代入上面的等式，得到

KAΔt_m＝cρVΔt

整理得到K的计算公式：

$K=\frac{3\mathrm{c\ρV}(t_1-t_2)\ln \frac{3t_1-t_{31}-t_{32}-t_{33}}{{3t}_2-t_{41}-t_{42}-t_{43}}}{A({3t}_1+t_{41}+t_{42}+t_{43}-{3t}_2-t_{31}-t_{32}-t_{33})}$

将测得的V、t₁、t₂、t₃₁、t₃₂、t₃₃、t₄₁、t₄₂、t₄₃，计算得到的A和常量c、ρ代入上式就可以得到K值；

8)数据处理中心根据计算得出的传热系数绘出质量控制图，当传热系数超出上限或者低于下限时，***发出警报；

设时刻T_i采集到的数据计算得到的传热系数为K_i(i＝1，2，3，…，n)，K_i的平均值为

$\stackrel{\‾}{K}=\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{K}_i}{n}$

K_i的标准偏差为S

$S=\sqrt{\frac{\underset{i=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{(K_i-\stackrel{\‾}{K})}^2}{n}}$

根据X控制图，可以得出：

控制中心线

控制上限 $\mathrm{UCL}=\stackrel{\‾}{K}+3S$

控制下限 $\mathrm{LCL}=\stackrel{\‾}{K}-3S$

当有K值超出UCL或者低于LCL时，***发出警报，表明换热器散热性能已处于非统计控制状态，即散热器散热性能出现不稳定情况。

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