基于冷鏡式光電露點儀的實驗教學設計

王　偉， 蓋軼靜， 孫育英， 吳　旭

(北京工業大學 建筑工程學院， 北京　100124)

?

基于冷鏡式光電露點儀的實驗教學設計

王偉， 蓋軼靜， 孫育英， 吳旭

(北京工業大學 建筑工程學院， 北京100124)

針對建環專業本科生對于空氣狀態參數的測試原理及耦合關系缺乏了解等問題，以教學型冷鏡式光電露點儀為實驗平臺，開發了空氣狀態參數測定和簡單空氣處理過程實驗，通過測量空氣干球溫度和露點溫度，計算其他狀態參數，并展示了實踐教學應用案例。該實驗適用于建筑環境與能源應用工程及相關專業實踐教學，為學生提供了良好的實驗平臺，讓學生深入了解空氣狀態參數的本質概念及測定原理。

空氣參數測定； 教學實驗； 空氣處理過程； 光電技術； 露點儀

保證良好的室內空氣品質是建筑環境與能源應用工程專業的核心任務之一[1]。空氣溫度、濕度等作為濕空氣的主要狀態參數，是衡量建筑環境的重要指標，是建環專業學生應熟練掌握的基本參數[2]，也是專業主干課程“工程熱力學”“空氣調節”以及“熱質交換原理與設備”教學的基礎知識點[3-5]。

絕大多數學生通過理論學習，對空氣狀態參數有基本的概念認知；通過手持式電子溫濕度儀、濕球溫度計等測量實驗，在一定程度上了解空氣狀態參數；但是，在教學中發現學生對空氣狀態參數的測試原理不清楚，對室內空氣相對濕度、含濕量、濕球溫度以及露點溫度等參數之間的耦合關系也缺乏了解，不利于后期專業課程學習[6-7]。因此，有必要對現有的實驗內容進行深化改革，提高學生對濕空氣的相變過程認識，加強學生對測量結果的判斷和分析能力[8]。本文以教學型冷鏡式光電露點儀為實驗設備，開發了空氣狀態參數測定和簡單空氣處理過程的創新實驗。通過測量空氣的干球溫度和露點溫度，并根據理論計算相應的空氣其他狀態參數，讓學生將理論與實驗結合，直觀化地理解濕空氣狀態參數的測定原理，系統化地理解空氣狀態參數的本質概念及參數之間的聯系，提高教學質量和學生的興趣。

1　實驗原理

濕空氣的狀態通常可以用壓力、溫度、相對濕度、含濕量及焓等參數來度量和描述，這些參數稱為濕空氣的狀態參數。露點儀通過測量空氣的干球溫度和露點溫度，計算其他狀態參數[9-10]。

1.1.1具體計算公式如下

(1) 飽和水蒸氣分壓力計算公式[5, 11]：

(1)

式中：pq b為飽和水汽分壓力(bar)；t為空氣溫度(℃)。

(2) 含濕量計算公式：

(2)

式中：d為濕空氣含濕量(kg/kg)；φ為相對濕度(%)；B為空氣總壓力(實驗室提供，B=1.013 25×105Pa)。

(3) 水蒸氣分壓力pq計算公式

(3)

(4) 相對濕度j計算公式

(4)

(5) 空氣焓值計算公式

i=cp.gt+d(2500+cp.qt)

i=1.01t+d(2500+1.84t)

(5)

式中：i為濕空氣的比焓(kJ/kg)；cp.g為干空氣的定焓比熱，常溫下cp.g=1.01kJ/(kgK)；cp.q為水蒸氣的定壓比熱，常溫下cp.q=1.84kJ/(kgK)；2 500為0 ℃時水的汽化潛熱(kJ/kg)。

1.1.2計算步驟

計算步驟如下：

(1) 由實驗測得空氣露點溫度tB以及公式(1)，可求出空氣狀態點A飽和水蒸氣分壓力pqb；

(2) 由pqb,B、B點的相對濕度φB=100%以及公式(2)，可求出B點的含濕量dB；

(3) 由dB和公式(3)，可求出B點的水蒸氣分壓力pq,B；

(4) 由dB、B點的干球溫度tB及公式(5)，可求出iB；

(5) 由于該空氣處理過程為等濕冷卻，所以dA=dB，由dA和公式(3)可求出pq,A；

(6) 由pq,A、pqb,A以及公式(4)，可求出A點的相對濕度φA；

(7) 測得A點的干球溫度tA、dA及公式(5)，可求出A點的相對濕度iA。

2　實驗臺與原理

冷鏡式光電露點儀核心部件為冷鏡面、帕爾貼半導體制冷器、散熱器、鉑電阻、光電發射器和接收器。該儀具有操作簡潔、效果直觀且維護成本低的優點。實驗臺實物圖見圖1。實驗臺通過單片機進行邏輯控制，采用LED屏幕顯示實驗參數。

圖1　實驗臺實物圖

實驗臺原理圖見圖2。通過誘導風機，將環境空氣從實驗臺左側的進風口引入實驗臺測試段，經過冷鏡面時被冷卻降溫；冷鏡面在制冷器作用下溫度逐漸降低，降至空氣露點時冷鏡面表面產生結露(霜)現象；結露(霜)后，冷鏡面表面反射率發生變化，使得光電傳感器的接收信號發生變化[12]，將信號變化傳遞給單片機，記錄此刻鉑電阻測得的冷鏡面溫度即為此時空氣露點溫度。

圖2　實驗臺原理圖

圖3為焓-濕圖上實驗過程中空氣狀態的處理過程。A點為室內狀態參數點，B點為A點對應的露點。室內空氣進入測試段后，被“干冷卻”直至結露(霜)，即由A處理至B的過程。

圖3　空氣狀態處理過程

3　實驗過程及結果

3.1實驗步驟

(1) 預熱。將儀器接通電源(220V)，并打開電源開關，預熱5min;根據操作鍵(▲和▼)設置鏡面預熱溫度，通過對鏡面加熱，清除鏡面表面殘余水分和結露(霜)，充分干燥鏡面。設置完畢后，按Ent鍵開始加熱鏡面。

(2) 平衡。鏡面加熱到設置溫度時開始對鏡面制冷，觀察顯示屏上鏡面溫度變化，等待鏡面溫度T下降至干球溫度；待鏡面溫度下降到干球溫度時，界面顯示平衡完成。按Ent鍵開始測量。

(3) 制冷。鏡面制冷，制冷量的大小可以根據操作鍵(▲加快制冷速率和▼降低制冷速率)調節，等待鏡面結露(霜)，在此期間可通過覘口觀察鏡面表面變化。

(4) 結露。當鏡面開始結露(霜)即達到空氣露點溫度時，鏡面產生結露(霜)現象，致使光電發射信號的反射率發生突變，此時鏡面兩端光電傳感器接收信號發生變化，將信號傳輸到儀器內部單片機處理中心，單片機接收信號后，發出指令，停止制冷，鏡面達到露點溫度。

(5) 數據輸出及整理。①鏡面達到露點溫度時，記錄顯示屏上顯示的入口空氣溫度、鏡面溫度和出口空氣溫度。記錄完數據后，按Ent鍵結束測量，顯示界面上將出現“測量完成”字樣，按Ent鍵將進入下一次的平衡；②反復3次測試過程，計算平均露點溫度值，通過本文實驗原理部分所提供公式及計算方法，計算出空氣相對濕度、含濕量及焓等狀態參數。在i-d圖中查得相應的空氣參數對計算結果進行校核。

3.2實驗案例

表1為某次實驗的測試數據，將3次測量結果取平均值，得到室內空氣狀態點(入口A點)干球溫度tA為24.1 ℃，其對應的露點(鏡面B點)干球溫度tB為-7.83 ℃。實驗中空氣狀態參數的處理過程在焓濕圖上的表示見圖4。

表1　實驗測試數據

根據測試結果，依據前述計算步驟，采用公式(1)—(5)，計算A、B兩點的水蒸氣分壓力、含濕量、相對濕度、焓等狀態參數，計算結果如表2所示，表中ta為干球溫度，tl為露溫度。

表2　實驗計算結果

圖4　實驗中的空氣狀態處理過程

在實驗過程中，學生親自操作實驗臺，通過實驗觀察、學習和數據處理，調動學生思考，對空氣溫度、露點溫度、相對濕度、水蒸氣分壓力等參數的本質概念，以及參數之間的耦合關系獲得深入認識，提高了學生的學習興趣，取得良好的實踐教學效果。

4　結語

針對建環專業學生對空氣狀態參數的測試原理及耦合關系的知識點掌握不佳等問題，本文以教學型冷鏡式光電露點儀為實驗平臺，開發了空氣狀態參數測定和簡單空氣處理過程實驗。實驗中，直觀展示空氣狀態的相變過程，調動學生主動思考，鞏固理論知識，將知識點巧妙地聯系起來，使學習過程更加系統化、直觀化、生動化，對教學質量的提高起到了良好的促進作用。

References)

[1] 尚少文，郭海豐，馬興冠. 建筑環境與設備工程專業課程教學改革探討[J]. 沈陽建筑大學學報：社會科學版，2011(2):249-252.

[2] 倪龍，姚楊. 建筑環境與設備工程專業人才需求及發展趨勢[J]. 黑龍江教育：高教研究與評估版，2010(8):39-41.

[3] 廉樂明. 工程熱力學[M]. 5版. 北京: 中國建筑工業出版社,2007.

[4] 連之偉. 熱質交換原理與設備[M].3版. 北京: 中國建筑工業出版社,2011.

[5] 趙榮義，范存養，薛殿華. 空氣調節[M]. 4版. 北京: 中國建筑工業出版社,2009.

[6] 谷士艷，孫清，敖永華，等. 建筑環境與設備工程專業實踐教學改革探索[J]. 沈陽農業大學學報：社會科學版，2011,13(2):212-215.

[7] 熊軍，劉澤華，羅清海，等. 工程應用能力的實驗教學改革研究：以建筑環境與設備工程專業為例[J]. 高等建筑教育，2011(1):158-161.

[8] 付祥釗，鄧曉梅，孫嬋娟. 建筑環境與設備工程專業實踐教學效果調查與分析[J]. 高等建筑教育，2009,18(1):16-21.

[9] 王偉，史辰，尚春鴿，等. 空氣狀態參數測試裝置：中國，[P].2013-04-03.

[10] 陳煥新，包勁松，張春安，等. 確定空氣狀態參數的方法[J]. 流體機械，2000(5):61-63.

[11] 陸耀慶. 實用供熱空調設計手冊[M]. 2版.北京:中國建筑工業出版社,2008.

[12] 王永利. 光電耦合器的工作原理及檢測[J]. 家電檢修技術，2010(8):51-53.

Experimentalteachingdesignbasedonachilledmirrortypephotoelectricdew-pointmeter

WangWei,GeYijing,SunYuying,WuXu

(CollegeofArchitectureandCivilEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)

AimingattheproblemthattheHVACundergraduatestudentsaredifficulttounderstandthetestprincipleofairstateparametersandtheircouplingrelationship,ateachingchilledmirrortypephotoelectricdew-pointmeterwasusedasanexperimentalplatform,andanexperimentofairstateparametersdeterminationandsimpleairconditioningprocesswasdeveloped.Bymeasuringairdrybulbtemperatureanddewpointtemperature,otherstateparametercanbecalculated.Apracticalteachingapplicationcasewasshowed,whichwasapplicabletoHVACexperimentalteaching.AgoodtrainingplatformwasprovidedforHVACteaching,whichcanleadthestudentstounderstandthenatureoftheairstateparametersandthemeasurementprinciple,andtheteachingqualityandstudents'learninginterestareimproved.

airparametersdetermination;teachingexperiment;airconditioningprocess;photoelectrictechnology;dew-pointmeter

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.07.018

2015-11-17修改日期：2016-03-18

北京工業大學促進人才培養綜合改革項目(4000543214552)；北京市教委科技計劃面上項目(KM201410005022)

王偉(1977—)，男，黑龍江，博士，教授，主要從事HVAC系統高效運行與優化控制研究.

E-mail：mrwangwei@bjut.edu.cn

TU831.1-33；G642.423

A

1002-4956(2016)7-0071-04

儀器設備研制與應用