CN102401807A - 高热流密度受热试件传热试验系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高热流密度受热试件传热试验系统。它包括传热试验台和控制器，传热试验台包括泵、电磁阀、试件安装支架、喷头、试件、水箱、感应线圈、阀门、负载电容柜和电源主机；试件安装支架内顺次设有喷头和水箱，水箱内顺次设有试件和感应线圈，水箱底部设有阀门，喷头、电磁阀、泵顺次相连，感应线圈、负载电容柜和电源主机顺次相连。高热流密度受热试件传热试验系统可以实现大功率密度发动机气缸盖、活塞和缸套承受高热流密度热冲击时的模拟试验。对试件采用不同的约束方式以有效模拟真实受力情况。并采用自行设计的可控冷却系统，以实现实时、有效、均匀的冷却。
Description
技术领域
本发明涉及传热试验系统，尤其涉及一种高热流密度受热试件传热试验系统。
背景技术
随着现代车辆紧凑型，经济性要求的不断提高，乘用车发动机正朝着小型化，能量密度集中化发展。特别是增压等技术的普及与发展，及发动机转速的提高，使得缸内温度较传统发动机有大幅提高。而气缸盖、活塞顶面和缸套是缸内散热的主要途径，其直接影响到整机的工作可靠性、使用寿命和性能。因此，研究高功率密度发动机气缸盖、活塞顶面和缸套在承受高热流密度热负荷时的传热规律及热疲劳性能对于提高发动机的工作可靠性，使用寿命和性能都具有重要意义。
目前，在缸内传热规律研究领域，主要研究手段有有限元分析、实机试验和模拟试验。
有限元分析是随着计算机技术的发展而发展起来的一种计算方法，其耗时短，节约资金，能在有限的试验条件下进行计算机模拟。但其准确性很大程度上依赖于边界条件是否符合实际情况，而边界条件的确定难度较大。
实机试验最接近于发动机实际工作情况，最能真实地反映发动机实际性能，准确性最高。但试验耗时长，成本高，对试验条件要求苛刻，具有很大的局限性。
模拟试验是模仿实际情况，自行设计试验方法，对真实情况进行模拟再现。其适用性广，试验周期短，也具有相当程度的准确性，是一种非常有效的试验方法。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术的不足，提供一种高热流密度受热试件传热试验系统。
高热流密度受热试件传热试验系统包括传热试验台和控制器，传热试验台包括泵、电磁阀、试件安装支架、喷头、试件、水箱、感应线圈、阀门、负载电容柜和电源主机；试件安装支架内顺次设有喷头和水箱，水箱内顺次设有试件和感应线圈，水箱底部设有阀门，喷头、电磁阀、泵顺次相连，感应线圈、负载电容柜和电源主机顺次相连。
所述的试件安装支架内的试件采用无约束、弱约束和全约束三种固定方式。所述的无约束固定方式采用不锈钢丝将试件固定于支架上；所述的弱约束固定方式采用不锈钢丝杠将试件固定于支架上；所述的全约束固定方式采用陶瓷材料制成的约束框固定试件后，再悬挂于支架上。
所述的控制器的内部模块连接关系为：嵌入式实时控制器分别与NI9213热电偶采集卡、NI9203电流采集卡、NI9263电压输出卡、继电器和通讯模块相连；NI9213热电偶采集卡与热电偶相连；NI9203电流采集卡与压力传感器相连；NI9263电压输出卡与电磁阀相连；继电器分别与温度报警器、水压报警器和热电偶信号中断报警器相连；通讯模块与上位机相连；上位机分别与打印机和显示器相连；温控器分别与加热器和热电偶相连。
本发明可以实现大功率密度发动机气缸盖、活塞和缸套承受高热流密度热冲击时的模拟试验。对试件采用不同的约束方式以有效模拟真实受力情况。采用自行设计的可控冷却系统，以实现实时、有效、均匀的冷却。
附图说明
图1是高热流密度受热试件传热试验系统结构示意图；
图2是本发明的控制器电路框图；
图3(a)是本发明的平板试件喷头结构侧视图；
图3(b)是本发明的平板试件喷头结构俯视图；
图4(a)是本发明的圆筒试件喷头结构正视图；
图4(b)是本发明的圆筒试件喷头结构侧视图；
图5是本发明的平板试件热电偶布置示意图；
图6是本发明的圆筒试件热电偶布置示意图。
具体实施方式
如图1所示，高热流密度受热试件传热试验系统包括传热试验台和控制器，传热试验台包括泵1、电磁阀2、试件安装支架3、喷头4、试件5、水箱6、感应线圈7、阀门8、负载电容柜9和电源主机10；试件安装支架3内顺次设有喷头4和水箱6，水箱6内顺次设有试件5和感应线圈7，水箱6底部设有阀门 8，喷头4、电磁阀2、泵1顺次相连，感应线圈7、负载电容柜9和电源主机10顺次相连。
所述的试件安装支架3内的试件5采用无约束、弱约束和全约束三种固定方式。所述的无约束固定方式采用不锈钢丝将试件5固定于支架3上；所述的弱约束固定方式采用不锈钢丝杠将试件5固定于支架3上；所述的全约束固定方式采用陶瓷材料制成的约束框固定试件5后，再悬挂于支架3上。
如图2所示，所述的控制器的内部模块连接关系为：嵌入式实时控制器分别与NI9213热电偶采集卡、NI9203电流采集卡、NI9263电压输出卡、继电器和通讯模块相连；NI9213热电偶采集卡与热电偶相连；NI9203电流采集卡与压力传感器相连；NI9263电压输出卡与电磁阀相连；继电器分别与温度报警器、水压报警器和热电偶信号中断报警器相连；通讯模块与上位机相连；上位机分别与打印机和显示器相连；温控器分别与加热器和热电偶相连。
如图3所示，为针对平板试件的喷水冷却系统结构。3根支管连接于总管之上，总管通过电磁阀及水泵与水网相连，每根支管上安装有3个可调喷头。为了达到较为均匀的冷却效果，9个喷头均布于平板上方。喷头喷出的水柱成实心锥形，锥角可以调节，实际使用时，通过调节锥角使水流覆盖整个平板上表面，以达到均匀冷却。为了形成射流以达到较为理想的冷却效果，冷却水经水泵加压后再由喷头喷出，形成射流换热。
如图4所示，为针对于圆筒试件的喷水冷却系统结构。6根支管与圆筒试件平行均布于试件四周，每根支管上布置3个喷头，共18个喷头。喷头任然采用可调喷头，以达到均匀冷却的效果。6根支管通过环形管道连接到一起，通过一根总管于水泵相连。冷却水经水泵加压后再由喷头喷出，形成射流换热。
如图5所示，为平板试件的热电偶布置示意图。试验时，为了得到试件整个厚度范围内的温度分布，并综合实际条件，K型热电偶分三层布于平板试件上表面，下表面及中间层。为了快速有效的测得平板各点的温度，热电偶采用电容冲击焊于试件上，使热电偶球头与平板紧密接触。热电偶通过温度变送将信号传送给控制器，用于加热控制、冷却控制及过热报警。同时，上位机实时存储各点温度值，用于后期分析。
如图6所示，为圆筒试件的热电偶布置示意图。，K型热电偶分三层布于圆筒试件外表面，内表面及中间层。
本发明的工作过程如下：
为了模仿气缸盖、活塞顶面和缸套的传热情况，试验中以方形平板模拟气缸盖和活塞顶面，以圆筒模拟缸套。针对不同的试件，安装平台有不同的固定方式。
加热系统是基于电磁感应加热的原理，采用的是集成化晶闸管感应加热系统，工作原理是把三相工频交流电通过晶闸管进行三相桥式全控整流后转变为直流电，再经直流电抗器滤波后输至单相逆变桥，经过逆变后成为单相中频交流电，最后输至负载谐振回路。谐振回路由负载感应线圈和补偿电容器组构成，按并联连接。对于平板试件，线圈绕成平面螺旋状，置于平板下方；对于圆筒试件，线圈绕成弹簧状，置于圆筒内部。线圈和试件保持1~2cm的距离。将平板试件下表面（圆筒试件内表面）热电偶信号接入温控仪，温控仪采用PID控制，输出0～10v控制信号至加热系统，控制加热功率，将试件高温加热面温度控制在设定值。
冷却系统用于给试件非受热面降温冷却，使试件形成高温度梯度及高热流密度，以模拟高功率密度发动机缸内的受热情况。其包括喷水系统和水箱两部分组成。实际试验时为了使上表面温度可控，以模拟发动机不同的工况，采用电磁阀控制流向喷头的水流量，以改变冷却效果，控制上表面温度。实际实施方案是：控制器接受上表面热电偶信号，并综合下表面和中间层热电偶信号，根据预期控制要求输出控制信号到电磁阀，改变电磁阀开度，以改变水流量，改变上表面温度，形成闭环控制。
为了保证试验台的安全运行，防止发生危险，试验台设有多重报警装置。主要包括：试件过热报警、冷却水水压过低报警、热电偶信号中断报警等。
控制器用于对试验过程实现自动数据采集、控制及监视。其主要部件包括NI cRIO-9114底座及cRIO-9014实时控制器，两块NI 9213热电偶信号采集卡和一块NI 9203电流信号采集卡用于采集相关信号；一块NI 9263电压信号输出卡用于控制射流冷却系统的电磁阀；一台温控仪用于实现温度可控的加热；继电器接报警器实现各种安全报警。
上位机与实时控制器之间的关系是：即使上位机关闭，实时控制器仍可正常工作，用于试验系统的控制和监视，只是数据记录中断。控制系统采用上下位机结构，以NI cRIO-9014为主要控制核心，稳定性与可靠性高。
试验中的所有测量数据，包括可能出现的报警信息，都保存于上位机的指定位置。试验数据以数据库的形式保存及管理，既便于操作，又利于数据的安全性。数据库中根据试件材料及形状的不同进行分类，每个分类下记录不同热流密度时各点的温度值，用于后期分析时调用。
同时，上位机自动生成统计分析报表，所有的试验数据也可以根据要求装换成excel表格或word文档，并可以打印输出。
Claims (3)
1.一种高热流密度受热试件传热试验系统，其特征在于包括传热试验台和控制器，传热试验台包括泵（1）、电磁阀（2）、试件安装支架（3）、喷头（4）、试件（5）、水箱（6）、感应线圈（7）、阀门（8）、负载电容柜（9）和电源主机（10）；试件安装支架（3）内顺次设有喷头（4）和水箱（6），水箱（6）内顺次设有试件（5）和感应线圈（7），水箱（6）底部设有阀门（8），喷头（4）、电磁阀（2）、泵（1）顺次相连，感应线圈（7）、负载电容柜（9）和电源主机（10）顺次相连。
2.根据权利要求1所述的一种高热流密度受热试件传热试验系统，其特征在于所述的试件安装支架（3）内的试件（5）采用无约束、弱约束和全约束三种固定方式，所述的无约束固定方式采用不锈钢丝将试件（5）固定于支架（3）上；所述的弱约束固定方式采用不锈钢丝杠将试件（5）固定于支架（3）上；所述的全约束固定方式采用陶瓷材料制成的约束框固定试件（5）后，再悬挂于支架（3）上。
3.根据权利要求1所述的一种高热流密度受热试件传热试验系统，其特征在于所述的控制器的内部模块连接关系为：嵌入式实时控制器分别与NI9213热电偶采集卡、NI9203电流采集卡、NI9263电压输出卡、继电器和通讯模块相连；NI9213热电偶采集卡与热电偶相连；NI9203电流采集卡与压力传感器相连；NI9263电压输出卡与电磁阀相连；继电器分别与温度报警器、水压报警器和热电偶信号中断报警器相连；通讯模块与上位机相连；上位机分别与打印机和显示器相连；温控器分别与加热器和热电偶相连。
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