宗雯文 唐靜君

【摘 要】針對(duì)大學(xué)熱動(dòng)專業(yè)熱學(xué)綜合性實(shí)驗(yàn)開展難度較大問題進(jìn)行創(chuàng)新研究，設(shè)計(jì)熱學(xué)綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)，基于一套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)可完成熱能工程實(shí)驗(yàn)、傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)、熱泵及熱交換器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)。豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，提高了實(shí)驗(yàn)效率，降低了實(shí)驗(yàn)成本，對(duì)大學(xué)熱動(dòng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新研究具有積極的借鑒意義和參考價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】熱動(dòng)；熱能工程；傳熱學(xué)；性能測(cè)試；實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)： TM743 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 2095-2457（2018）21-0119-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.21.052

【Abstract】Aiming at the difficult problems in the comprehensive thermal experiments of the universitys thermal power specialty， an innovative research was carried out. a comprehensive thermal experiment table was designed. based on a set of experimental systems， thermal engineering experiments， heat transfer experiments， heat pump and heat exchanger performance testing experiments can be completed.It enriches the experimental content， improves the experimental efficiency， reduces the experimental cost，and has positive reference significance and reference value for the innovative research of experimental teaching of the universitys thermal power specialty.

【Key words】Thermal motion；Thermal engineering；Heat transfer；Performance test；Experiment

0 引言

隨著熱學(xué)在工業(yè)中的應(yīng)用越來越廣，國內(nèi)越來越多的大學(xué)開設(shè)了熱動(dòng)專業(yè)。然而面臨的一項(xiàng)主要問題就是如何能夠在學(xué)校實(shí)驗(yàn)室較好的模擬工業(yè)系統(tǒng)熱能工程過程，并且盡可能的降低實(shí)驗(yàn)成本。因?yàn)?，熱能工程?shí)驗(yàn)往往需要建立由多種儀器、設(shè)備共同組成的綜合熱能系統(tǒng)，投入較大。并且，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中也很難一次性完全掌握系統(tǒng)整體工作原理和控制過程，花費(fèi)的實(shí)驗(yàn)時(shí)間也較長。因此，探索應(yīng)用一套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行多種熱學(xué)實(shí)驗(yàn)的方法是老師和學(xué)生的共同需求，不僅可以節(jié)約實(shí)驗(yàn)成本，而且更有益于學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解和掌握。

陳乾等人應(yīng)用LED技術(shù)對(duì)熱學(xué)特性進(jìn)行了研究并應(yīng)用在實(shí)驗(yàn)過程中[1]。張羽等人對(duì)熱學(xué)中的恒溫箱進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了一套智能控制系統(tǒng)[2]。薛洪濤等人對(duì)制冷片進(jìn)行了研究，設(shè)計(jì)了熱敏電阻實(shí)驗(yàn)裝置[3]。白炳良等人設(shè)計(jì)了熱學(xué)實(shí)驗(yàn)單片機(jī)控制系統(tǒng)[4]。此外，在熱學(xué)實(shí)驗(yàn)中涉及的元器件及控制方面也有一定研究[5]。但利用綜合系統(tǒng)進(jìn)行多項(xiàng)熱能工程實(shí)驗(yàn)的研究在國內(nèi)還不多見，因此探索綜合性實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)熱動(dòng)專業(yè)的老師和學(xué)生是必然需求。

在研究熱學(xué)原理和工業(yè)應(yīng)用的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了熱學(xué)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以完成包括熱能工程實(shí)驗(yàn)、傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)和熱泵和熱交換器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)的三項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。提高了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的利用效率，豐富了實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，較好的滿足了熱學(xué)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求。

1 實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)依據(jù)熱平衡法模擬熱力循環(huán)過程并對(duì)設(shè)備性能參數(shù)進(jìn)行測(cè)試。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由制冷壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝器、恒溫水箱、熱交換器和控制系統(tǒng)組成。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示。在該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，熱力循環(huán)流程為：來自蒸發(fā)器的工質(zhì)蒸汽被壓縮機(jī)吸入，經(jīng)壓縮提高壓力與溫度后排入板式冷凝器，在冷凝器中蒸汽向冷卻介質(zhì)釋放熱量并降低溫度而成為液體；冷凝后的高壓液體經(jīng)閥體節(jié)流，以低溫低壓液體形式進(jìn)入蒸發(fā)器，在蒸發(fā)器中低溫液體吸取熱源的熱量蒸發(fā)為蒸汽，并再次被壓縮機(jī)吸入，工質(zhì)在此封閉系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)循環(huán)。

2 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

基于設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)和熱學(xué)原理，應(yīng)用該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要可進(jìn)行三項(xiàng)內(nèi)容的熱學(xué)實(shí)驗(yàn)，下面將具體對(duì)三項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行分析。

實(shí)驗(yàn)一，熱能工程實(shí)驗(yàn)。熱能工程實(shí)驗(yàn)裝置主體是基于設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，具體應(yīng)用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的壓縮機(jī)、蒸發(fā)器、冷凝水箱和相關(guān)管路。實(shí)驗(yàn)過程為，壓縮機(jī)將液態(tài)水進(jìn)行壓縮，形成水蒸氣，水蒸氣經(jīng)通流管路流至蒸發(fā)器，蒸發(fā)器吸收熱量，氣態(tài)水重新變成液態(tài)，流入蒸發(fā)水箱。這部分是液態(tài)水變成水蒸氣，再由水蒸氣變成液態(tài)水的熱能變化過程，是通過制熱循環(huán)裝置完成。當(dāng)然，此過程是可逆的，逆過程實(shí)驗(yàn)仍然可以通過這部分系統(tǒng)完成。區(qū)別就是要利用冷凝水箱進(jìn)行冷卻，這是一套制冷循環(huán)裝置。該實(shí)驗(yàn)過程是模擬制冷、制熱過程，具體可反應(yīng)空調(diào)、保溫箱等工業(yè)產(chǎn)品的實(shí)際工作過程。因此，實(shí)驗(yàn)一驗(yàn)證了熱學(xué)的基本原理，反應(yīng)了溫度、體積、壓力等熱學(xué)基本參數(shù)關(guān)系。

實(shí)驗(yàn)二，傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)。在實(shí)驗(yàn)一基礎(chǔ)上，可以對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行拓展。依據(jù)傳熱學(xué)基本原理，可以進(jìn)行傳熱學(xué)相關(guān)內(nèi)容的實(shí)驗(yàn)。在水箱輸入、輸出口位置安裝熱電偶，對(duì)熱電偶進(jìn)行溫度標(biāo)定，可以通過控制系統(tǒng)電流、電壓和功率，觀測(cè)蒸發(fā)水箱和冷凝水箱的溫度變化，可對(duì)熱流進(jìn)行測(cè)量，對(duì)制熱、制冷溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，驗(yàn)證傳熱學(xué)中加熱和冷卻過程。在實(shí)驗(yàn)一中，吸熱與放熱的熱能變化過程同樣也可作為傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)的一部分進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。

實(shí)驗(yàn)三，熱泵和熱交換器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)。該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由外部工況調(diào)節(jié)系統(tǒng)、實(shí)驗(yàn)制冷系統(tǒng)、水系統(tǒng)、測(cè)量控制系統(tǒng)組成。其中外部工況調(diào)節(jié)系統(tǒng)由制冷機(jī)、冷凝側(cè)恒溫水箱、蒸發(fā)側(cè)恒溫水箱、冷凝側(cè)恒溫水箱可變電加熱、蒸發(fā)側(cè)恒溫水箱可變電加熱組成。實(shí)驗(yàn)制冷系統(tǒng)由變頻壓縮機(jī)、冷凝側(cè)板式熱交換器、蒸發(fā)側(cè)板式熱交換器、制冷劑流量調(diào)節(jié)裝置、汽液分離器、高低壓開關(guān)組成。水系統(tǒng)由管路、接頭、閥門、冷凝側(cè)恒溫水箱循環(huán)水泵、蒸發(fā)側(cè)恒溫水箱循環(huán)水泵組成。測(cè)量控制系統(tǒng)由上位計(jì)算機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡、PID調(diào)節(jié)儀、傳感器（溫度、壓力）、流量計(jì)、溫度調(diào)節(jié)儀、固態(tài)繼電器、變頻器、電功率表、強(qiáng)電控制箱組成。此實(shí)驗(yàn)共分三部分。第一部分進(jìn)行壓縮機(jī)制冷量實(shí)驗(yàn)，為系統(tǒng)設(shè)定一個(gè)冷凝溫度和一個(gè)蒸發(fā)溫度，測(cè)出壓縮機(jī)在設(shè)定工況下的制冷量與性能系數(shù)。第二部分進(jìn)行蒸發(fā)溫度對(duì)壓縮機(jī)制冷性能影響實(shí)驗(yàn)，為系統(tǒng)設(shè)定一個(gè)冷凝溫度和一系列蒸發(fā)溫度，測(cè)出壓縮機(jī)在冷凝溫度一定時(shí)，不同的蒸發(fā)溫度與壓縮機(jī)制冷量以及性能系數(shù)的關(guān)系。第三部分進(jìn)行冷凝溫度對(duì)壓縮機(jī)制冷性能影響實(shí)驗(yàn)，為系統(tǒng)設(shè)定一個(gè)蒸發(fā)溫度和一系列冷凝溫度，測(cè)出壓縮機(jī)在蒸發(fā)溫度一定時(shí)，不同的冷凝溫度對(duì)壓縮機(jī)制冷量以及性能系數(shù)的關(guān)系。同時(shí)，上述過程觀測(cè)對(duì)象可選擇熱交換器，將傳感器布置在熱交換器兩側(cè)，分別設(shè)置不同蒸發(fā)與冷凝的數(shù)據(jù)，可進(jìn)行熱交換器性能的測(cè)試。

在實(shí)驗(yàn)過程中，實(shí)驗(yàn)步驟為，打開總電源，按下控制面板上的紅色復(fù)位按鈕。待溫控表啟動(dòng)自檢完成后，將其設(shè)置為自動(dòng)模式，并分別設(shè)定好蒸發(fā)側(cè)與冷凝側(cè)恒溫水箱溫度。依次打開水泵、制冷機(jī)、電加熱、換向閥和變頻器。待設(shè)置完成后，打開系統(tǒng)軟件，選定冷凝溫度和蒸發(fā)溫度并填入設(shè)置框，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。一般設(shè)定的冷凝溫度范圍為30-35℃，蒸發(fā)溫度設(shè)定范圍為15-25℃。實(shí)驗(yàn)完成后，系統(tǒng)將自動(dòng)保存本次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)完成后，可以獲得壓縮機(jī)在冷凝溫度一定情況下，其制冷量與蒸發(fā)溫度之間的變化曲線；壓縮機(jī)在蒸發(fā)溫度一定情況下，其功率與冷凝溫度之間的變化曲線。

以上就是利用設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)完成多項(xiàng)熱學(xué)實(shí)驗(yàn)過程，可以看出，該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)能夠進(jìn)行熱能工程、傳熱學(xué)等熱動(dòng)專業(yè)多門課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)工作，節(jié)約了設(shè)備成本，提高了實(shí)驗(yàn)效率，師生對(duì)教學(xué)效果的滿意度也較高。

3 結(jié)論

通過設(shè)計(jì)熱能工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)系統(tǒng)，達(dá)到了進(jìn)行熱動(dòng)專業(yè)多門課程單一及綜合實(shí)驗(yàn)過程的目的，提升了熱能工程實(shí)驗(yàn)效率。實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要可完成熱能工程實(shí)驗(yàn)、傳熱學(xué)實(shí)驗(yàn)、熱泵和熱交換器性能測(cè)試實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容豐富、工作過程易于理解，整體實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)合理。該研究過程對(duì)大學(xué)熱動(dòng)專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的創(chuàng)新研究具有積極的借鑒意義和參考價(jià)值。

【參考文獻(xiàn)】

[1]陳乾，戴玉蓉，孫貴寧，楊蕾.LED熱學(xué)特性研究及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)儀[J].物理實(shí)驗(yàn)，2017（7）：39-42.

[2]張羽，胡孟軍，冉奉民，趙月然.熱學(xué)實(shí)驗(yàn)恒溫箱的智能控制設(shè)計(jì)[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2014（12）：78-80.

[3]薛洪濤，李載亭.基于單片機(jī)的半導(dǎo)體制冷片的熱敏電阻實(shí)驗(yàn)[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2012（6）：28-31.

[4]白炳良，周錦榮.基于單片機(jī)的開關(guān)電源并聯(lián)供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)，2013（6）：58-60.

[5]胡曉紅，凡風(fēng)仙，黃曉璜，魏燕.模塊化、開放式工程燃燒學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究[J].實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2017（4）：137-139.