小型冷庫蒸發(fā)器三維溫度場分析

姜道珠，魯墨森，劉曉輝，魯 榮

（1．山東理工大學農業(yè)工程與食品科學學院，山東淄博255091；2．山東省果樹研究所，山東泰安271000；3．一新保鮮設備廠，山東泰安271000）

1 實驗設備與方法

1．1 實驗設備

以冷庫的小型冷風機為例，蒸發(fā)器的外形結構尺寸為740mm×420mm×250mm（長×寬×高），采用鋁合金制脹管翅片．圖1為蒸發(fā)器圖片．

圖1 蒸發(fā)器

1．2 實驗測溫系統(tǒng)

實驗采用熱鍍錫膜銅－康銅熱電偶測量溫度．熱鍍錫膜銅－康銅熱電偶在±100℃范圍內，以裸測頭和小型保護管測頭更能突出熱電偶的高靈敏度特點，在微變動態(tài)溫度測量中優(yōu)勢突出［4]．換熱翅片管是翅片管簇式蒸發(fā)器的核心部件，其性能的好壞直接影響蒸發(fā)器整套裝置的換熱性能，因此選擇有代表性的位置點將18組熱鍍錫膜銅－康銅熱電偶布置在蒸發(fā)器片管間，微型測頭緊貼管壁，實時監(jiān)測管外的溫度動態(tài)過程．蒸發(fā)器的三維測溫點布局如圖2所示．

圖2 蒸發(fā)器的測溫點布局圖

1．3 實驗數(shù)據(jù)采集存儲系統(tǒng)

利用LU－R／C2100無紙記錄儀改制的高靈敏度多通道微伏級數(shù)據(jù)采集處理器進行數(shù)據(jù)的采集、存儲工作．記錄儀可接入多路熱電偶熱電勢信號輸入，每個控制板有獨立的信號輸入、主輸出和報警輸出，能夠實時記錄監(jiān)測所測項目溫度的微變動態(tài)過程；采用USB接口技術，可直接將數(shù)據(jù)轉存到U盤，通過上位機U盤工具軟件將所采集的數(shù)據(jù)進行輸出存檔．因采集數(shù)據(jù)為微伏級（μV）熱電勢信號，故需先將數(shù)據(jù)存儲到Excel數(shù)據(jù)庫中，具體求解程序的流程圖如圖3所示．然后通過電勢值與溫度轉換的數(shù)學模型［5]轉換成溫度值做進一步分析處理．

圖3 計算程序流程圖

2 實驗模型

根據(jù)實驗要求的精度的不同，安裝的測溫點的數(shù)目有所不同．在蒸發(fā)器的測溫點分布并不規(guī)則的情況下，采用griddata3作為插值估算函數(shù)

利用griddata3函數(shù)繪制蒸發(fā)器三維溫度場的基本方法如下：

（1）建立蒸發(fā)器18個測溫點的溫度矩陣（x，y，z），其中x，y，z的具體設置如下

x＝［18，18，18，18，18，18，18，18，18，0，0，0，0，0，0，0，0，0]T；

y＝［74，74，74，37，37，37，0，0，0，74，74，74，37，37，37，0，0，0]T；

z＝［36，18，0，36，18，0，36，18，0，36，18，0，36，18，0，36，18，0]T；

（2）利用MATLAB程序實現(xiàn)測溫點熱電勢值與溫度值之間的轉換．設對應于18個測溫點的熱電勢矩陣為V，則V必定為1×18的矩陣，由于每個熱電勢值對應一個溫度值，所以計算后得到的各坐標矩陣以由下到上、從前向后的順序填寫．溫度矩陣T也必定為1×18的矩陣．

（3）調用meshgrid函數(shù)構造要估算的所有點坐標矩陣（xi，yi，zi），其均勻網(wǎng)格化坐標空間，生成三維容積圖．假設坐標（xi，yi，zi）對應的溫度值矩陣為Ti，則Ti可由下式估算得出．

Ti＝griddata3（x，y，z，T，xi，yi，zi）

（4）調用slice切片函數(shù)和contourslice四維切片輪廓線函數(shù)繪制該蒸發(fā)器的三維溫度場．

（5）調用rotate3d函數(shù)可多視角觀測蒸發(fā)器三維溫度場的變化．

3 實驗結果分析

圖4給出了0℃冷庫的冷風機蒸發(fā)器一個時段的三維立體溫度場分布情況．其右邊中部為氟利昂進液口，其值為－8℃左右，它是蒸發(fā)器低溫附近區(qū)域．其左端溫度相對有所升高，達到－3℃左右，表明了蒸發(fā)器不同位置的換熱狀況．

圖4 蒸發(fā)器三維溫度場

圖5所示為蒸發(fā)器的三維立體溫度場的內部切片圖，分別以不同的視角展示了蒸發(fā)器溫度場的內部變化情況．利用MATLAB軟件slice切片函數(shù)可實現(xiàn)蒸發(fā)器三維立體溫度場模型的內部切片處理．

4 結論與討論

1）借助于MATLAB的計算功能，可以很方便的實現(xiàn)熱電偶熱電勢信號值轉換為溫度值問題的求解．利用MATLAB軟件的繪制三維圖功能，可進行蒸發(fā)器溫度場分析，并在三維空間顯示溫度的具體變化情況．

圖5 不同視角的蒸發(fā)器溫度場切片圖

2）三維溫度場內部切片模型通過表面已知測溫點對蒸發(fā)器內部溫度進行逼近擬合．此外，蒸發(fā)器三維溫度場是一個瞬時的過程，為更好的探討蒸發(fā)器換熱特性，對其在多個時段和不同的蒸發(fā)狀態(tài)對溫度場的變化還需要進一步大量的實驗研究．

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［10] 劉曉輝，姜道珠，魯墨森．制冷機組冷凝器的三維溫度場分析．南昌大學學報：工科版，2011，33（2）：181－184．