自制實(shí)驗(yàn)儀器在制冷專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

郭美榮, 孫淑鳳

(北京科技大學(xué) 熱能工程系, 北京 100083)

自制實(shí)驗(yàn)儀器在制冷專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

郭美榮, 孫淑鳳

(北京科技大學(xué) 熱能工程系, 北京 100083)

介紹了自制實(shí)驗(yàn)臺(tái)的研制目的意義和方法,通過相關(guān)專業(yè)4個(gè)學(xué)年的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,該儀器符合實(shí)驗(yàn)室制冷實(shí)驗(yàn)的教學(xué)要求,測(cè)試結(jié)果正確,具有良好的實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用效果。

自制實(shí)驗(yàn)臺(tái)； 制冷專業(yè)； 制冰時(shí)間； 制冰效率

2010年5月5日《國(guó)家中長(zhǎng)期教育改革和發(fā)展規(guī)劃綱要(2010—2020)年》中明確提出,高等教育要加強(qiáng)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)、強(qiáng)化實(shí)踐教學(xué)環(huán)境[1-3]。在實(shí)踐教育教學(xué)中,經(jīng)常會(huì)遇到從廠家購(gòu)買的實(shí)驗(yàn)儀器難以體現(xiàn)不同專業(yè)不同教師的教學(xué)特點(diǎn)，并且很難滿足特色化教學(xué)需要的問題,因此根據(jù)教學(xué)內(nèi)容自行設(shè)計(jì)滿足課程教學(xué)實(shí)驗(yàn)要求的自制實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，就成了解決此問題的關(guān)鍵。自制實(shí)踐教學(xué)儀器設(shè)備是促進(jìn)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革的有效措施[4]。自制實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備是教師根據(jù)自己的教學(xué)觀點(diǎn)及實(shí)驗(yàn)需要,運(yùn)用先進(jìn)或獨(dú)創(chuàng)的技術(shù)自行設(shè)計(jì)、加工(或委托)制造的儀器,包括教學(xué)儀器設(shè)備和軟件。這種儀器能真實(shí)地演繹科學(xué)現(xiàn)象,具有極強(qiáng)的操控特點(diǎn)。創(chuàng)造性地制作各種貼近教學(xué)實(shí)際的教學(xué)儀器,能夠滿足課程的特別需求[5]。自制實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備彌補(bǔ)了市售產(chǎn)品在品種和性能方面的不足,提高了實(shí)驗(yàn)規(guī)格,提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)水平,教與學(xué)同時(shí)得到提高。在自制實(shí)驗(yàn)儀器過程中,學(xué)生可以參與儀器研制,提高了學(xué)生的動(dòng)手能力和綜合能力[6],同時(shí)也培養(yǎng)和鍛煉了高校實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員隊(duì)伍,充實(shí)了產(chǎn)學(xué)研的合作內(nèi)容。自行研制先進(jìn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備,不但可以使實(shí)驗(yàn)引進(jìn)新的技術(shù),還可以使教師的業(yè)務(wù)能力得到鍛煉,增長(zhǎng)新的技能,增加工作的成就感,是教師雙師型培養(yǎng)的重要途徑[7],同時(shí)使理論與實(shí)踐有機(jī)地結(jié)合,為解決教學(xué)中的問題打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)[8]。

根據(jù)我校制冷專業(yè)課程的需求及本科學(xué)生的實(shí)驗(yàn)特點(diǎn)，自行研制了熱工系統(tǒng)能量存儲(chǔ)與利用實(shí)驗(yàn)臺(tái),熱工系統(tǒng)能量存儲(chǔ)與利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)模擬了動(dòng)態(tài)冰蓄冷制冰技術(shù)。根據(jù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)使用情況來看,達(dá)到了實(shí)驗(yàn)教學(xué)預(yù)期的效果。

1 研究的目的與意義

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展及人民生活水平的提高,對(duì)冰塊的需求量也急劇地提升,冷凍等其他相關(guān)行業(yè)的巨大發(fā)展也促進(jìn)了對(duì)冰塊的需求。現(xiàn)代空調(diào)的巨大需求導(dǎo)致用電量也急劇地提升,這顯然已經(jīng)形成了一個(gè)問題。政府一方面大力投入資金、人力建設(shè)電站,一方面也注重節(jié)能方面各種技術(shù)的研究。冰蓄冷系統(tǒng)對(duì)緩解電力供應(yīng)矛盾具有非常顯著的幫助作用。隨著各種冰蓄冷系統(tǒng)技術(shù)的深入研究,冰蓄冷系統(tǒng)已經(jīng)進(jìn)入了高速發(fā)展的階段。如何提升冰蓄冷系統(tǒng)效率等問題已經(jīng)成為擺在面前的一個(gè)重要的問題[9]。

2 設(shè)計(jì)思路

要求儀器能適合本科生實(shí)驗(yàn)教學(xué),并且方便靈活、易于操作。要求儀器大小適中,既要能夠充分展示冰蓄冷技術(shù)的應(yīng)用、確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確度,也不能過大、過重,否則難于操作。實(shí)驗(yàn)儀器同時(shí)具有一定的實(shí)驗(yàn)展示度,使得學(xué)生可以清楚地看到冰蓄冷制冰脫冰過程的形成等。

3 儀器原理

熱工系統(tǒng)能量存儲(chǔ)與利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)主要包括風(fēng)機(jī)盤管和制冰循環(huán)2個(gè)部分,制冰系統(tǒng)循環(huán)示意圖見圖1。

圖1 制冰系統(tǒng)循環(huán)示意圖

在本實(shí)驗(yàn)過程中主要注重制冰與脫冰。制冰過程中,實(shí)驗(yàn)臺(tái)通過壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器、節(jié)流閥和蒸發(fā)器構(gòu)成了一個(gè)完整的單級(jí)壓縮制冷循環(huán)。

循環(huán)從壓縮過程開始,壓縮機(jī)吸入飽和蒸汽,制冷劑在壓縮機(jī)內(nèi)等熵壓縮,隨后制冷劑在冷凝器中進(jìn)行冷卻和冷凝,在冷卻和冷凝過程中制冷劑壓力保持不變,并且等于冷凝溫度下的飽和蒸汽壓力。制冷劑在節(jié)流過程中的壓力和溫度降低,進(jìn)入兩相區(qū),但焓值保持不變。隨后制冷劑在蒸發(fā)器中在一定溫度、飽和壓力保持不變的情況下進(jìn)行蒸發(fā),冷凍水的熱量被制冷劑帶走。

脫冰過程,在本實(shí)驗(yàn)臺(tái)中采用熱脫冰的方式進(jìn)行融冰。通過電磁閥的控制,在預(yù)設(shè)的制冰時(shí)間到達(dá)的時(shí)候電磁閥打開,使熱氣通過,熱氣不斷地流過冰盒,使整個(gè)冰盒的整體溫度提高。冰盒中的冰塊邊緣首先進(jìn)行部分融化,同時(shí)冰盒中間隔有一個(gè)向下的斜度,一旦整個(gè)冰塊可以滑動(dòng),冰盒中的冰塊依靠重力作用就會(huì)向下滑動(dòng),推開冰盒門,掉入下面的儲(chǔ)存室中,完成脫冰過程。

4 實(shí)驗(yàn)臺(tái)組成

實(shí)驗(yàn)中所用到的整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)為立式,實(shí)驗(yàn)臺(tái)主體分為2個(gè)部分:實(shí)驗(yàn)臺(tái)上半部分為制冰脫冰部分,下半部分為冰塊儲(chǔ)存箱,即蓄冰箱。本實(shí)驗(yàn)中使用了安捷倫34972數(shù)據(jù)采集器進(jìn)行溫度測(cè)量,共設(shè)置一個(gè)插入式模塊用于溫度測(cè)量并通過數(shù)據(jù)采集器面板進(jìn)行對(duì)插入式模塊的設(shè)置調(diào)節(jié)。

實(shí)驗(yàn)臺(tái)上半部分正面主要為3個(gè)冰盒,成一排狀平行分布在中間。冰盒內(nèi)部為有向下傾斜角度的隔間,每個(gè)冰盒內(nèi)隔間共9行、12列,也即在理想情況下每次單個(gè)冰盒可制冰108塊。每個(gè)冰盒上部均有獨(dú)立的布水管,在制冰過程中從布水管向冰盒內(nèi)進(jìn)行淋水。布水管向下的一側(cè)均勻地開有布水孔,淋水過程中從布水管流出的水呈膜狀,保證制冰均勻。氣體管道也在冰盒上部,脫冰過程中熱蒸汽從上到下運(yùn)動(dòng)。每個(gè)冰盒的前方覆蓋著一個(gè)塑料制的可從內(nèi)推開的門,推開角度約為45°。門的推動(dòng)部分有感應(yīng)器進(jìn)行計(jì)數(shù)。在制冰過程中冰盒門處于關(guān)閉狀態(tài),以保持冰板完整。冰盒下部有一個(gè)聯(lián)通的水收集器,橫向布置在冰盒下方約5 cm處。

整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)共布置了8個(gè)溫度測(cè)量點(diǎn),實(shí)驗(yàn)中利用溫度數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)測(cè)量各個(gè)指定點(diǎn)的溫度。測(cè)量均采用T型熱電偶,整個(gè)數(shù)據(jù)采集器和T型熱電偶在使用前均通過溫度標(biāo)定,測(cè)量冰點(diǎn)與沸點(diǎn)溫度,誤差在0.1 ℃以內(nèi)。安捷倫34972數(shù)據(jù)采集器通過標(biāo)準(zhǔn)LAN接口與PC端相連。測(cè)量過程中的間隔時(shí)間、起始和終止時(shí)間等均可以通過電腦端進(jìn)行設(shè)置,而實(shí)驗(yàn)中所測(cè)得的數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)自動(dòng)存儲(chǔ),通過對(duì)特定儀表測(cè)量值進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并且可以自動(dòng)繪制成實(shí)時(shí)圖表。每個(gè)溫度采集點(diǎn)的曲線在一張圖表上分顏色用不同坐標(biāo)集中顯示,易于觀察,還可以直觀地顯示其變化趨勢(shì)圖,從而可以對(duì)整個(gè)制冰機(jī)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行了解。另外在數(shù)據(jù)采集器的LED面板上也可以顯示一個(gè)通道的實(shí)時(shí)溫度便于觀察。實(shí)驗(yàn)臺(tái)的控制策略部分由制造方提供的三菱PLC軟件進(jìn)行控制,由力控提供組態(tài)環(huán)境。

5 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

5.1 單冰盒制冰量實(shí)驗(yàn)

停止實(shí)驗(yàn)臺(tái)其他部分的工作,以制冰時(shí)間作為單一變量,根據(jù)設(shè)定制冰時(shí)間的不同,完成多組實(shí)驗(yàn)。記錄不同制冰時(shí)間情況下的制冰量、脫冰時(shí)間,計(jì)算制冰量均值。最終得到單冰盒單次循環(huán)的制冰量和制冰時(shí)間的關(guān)系曲線、單冰盒在單次制冰循環(huán)中的脫冰時(shí)間與制冰時(shí)間的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線,以及單冰盒在單位時(shí)間也即1 h的時(shí)間內(nèi)的制冰量和制冰時(shí)間關(guān)系曲線。

5.2 多冰盒制冰效率的實(shí)驗(yàn)

在這一階段的實(shí)驗(yàn)過程中,進(jìn)行3個(gè)冰盒的聯(lián)動(dòng)制冰,對(duì)制冰量進(jìn)行分析測(cè)量。記錄不同制冰時(shí)間情況下的制冰量、脫冰時(shí)間,計(jì)算制冰量均值。最終得到3冰盒周期循環(huán)的制冰量和制冰時(shí)間的關(guān)系曲線,以及3冰盒周期循環(huán)單位時(shí)間內(nèi)制冰量和制冰時(shí)間對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線。

5.3 入口水溫與制冰量關(guān)系的實(shí)驗(yàn)

采用向?qū)嶒?yàn)系統(tǒng)中的水箱和蓄水槽加入冰塊進(jìn)行水箱入口水溫的調(diào)節(jié),根據(jù)冰塊數(shù)量配合測(cè)溫?zé)犭娕歼M(jìn)行溫度的測(cè)量。調(diào)節(jié)入口水溫所用冰塊來源于實(shí)驗(yàn)臺(tái)本身所制得的冰塊,進(jìn)行循環(huán)利用。在每組實(shí)驗(yàn)中,進(jìn)行3個(gè)冰盒一周期制冰,從而進(jìn)行制冰效率的分析，最終得到入口水溫與制冰量關(guān)系以及入口溫度與冰盒內(nèi)溫度關(guān)系實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

6 實(shí)驗(yàn)臺(tái)使用情況

自2012年實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì)制作完成后投入使用,先后完成了本科制冷專業(yè)16個(gè)學(xué)生班的“制冷與低溫原理”的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。根據(jù)制冷專業(yè)學(xué)生的綜合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),分析得出以下實(shí)驗(yàn)結(jié)論:

(1) 單冰盒制冰實(shí)驗(yàn)中,具有起止制冰時(shí)間限制,低于此時(shí)間無法獲得冰塊,高于此時(shí)間制冰效率急劇下降,失去使用意義。單冰盒制冰實(shí)驗(yàn)中,存在最佳制冰時(shí)間為8 min,而脫冰時(shí)間有所增加。當(dāng)制冰時(shí)間較短時(shí),冰塊厚度比較小,冰塊中空,呈凹型,整體呈透明狀,在脫冰環(huán)節(jié)的下墜過程中很容易僅靠重力就在脫落前呈單個(gè)冰塊狀,在墜落過程中碎成碎片,且單個(gè)冰塊的重量小；當(dāng)制冰時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng)時(shí),冰塊較厚,重量較大,冰塊上部呈半透明狀,下半部分呈現(xiàn)白色,冰塊整體呈現(xiàn)正方體的狀態(tài)。

(2) 多冰盒制冰效率的實(shí)驗(yàn)中,由于連續(xù)工作,冰盒內(nèi)水溫會(huì)在下一次制冰時(shí)溫度逐漸接近0 ℃,同樣存在起止制冰時(shí)間限制,且最佳制冰時(shí)間為9 min。所制得的冰塊的質(zhì)量明顯要比單冰盒制冰所得要好,在脫落過程中,冰塊連接在一起呈板狀,不會(huì)分開。在每個(gè)冰塊與其余冰塊的連接處,由于冰層較薄導(dǎo)致呈透明狀,冰塊顏色整體較白,尤其是從左上角的冰板背面圖可以更好地看出。此外冰塊基本無中空現(xiàn)象發(fā)生。最高制冰效率明顯高于單冰盒制冰實(shí)驗(yàn)。

(3) 入口水溫與制冰量關(guān)系的實(shí)驗(yàn)中,隨著入口水溫的升高,制冰量呈現(xiàn)一種波動(dòng)下降的趨勢(shì),入口水溫越高,總制冰量和單位制冰量都隨之降低,入口水溫的提高最終可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)臺(tái)的起始制冰時(shí)間延長(zhǎng),最高制冰量發(fā)生的時(shí)間也隨之延長(zhǎng)；另外入口水溫的降低對(duì)制冰量的影響與制冰時(shí)間無關(guān),不論制冰時(shí)間為多少,制冰量的下降趨勢(shì)是基本一致的。

7 結(jié)語

當(dāng)今教育中通常將教師、教材、教具統(tǒng)稱為“三大基本條件”[10]。制冷實(shí)驗(yàn)設(shè)備專用性強(qiáng)、社會(huì)需求量小、價(jià)格昂貴,大多無法從市場(chǎng)直接購(gòu)買到,即使直接購(gòu)買到,在使用和功能上也遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了教學(xué)實(shí)驗(yàn)的需求[11]。本著“因地制宜、自主研發(fā)、注重教學(xué)效益”的理念,針對(duì)本科教學(xué)功能越強(qiáng)大的產(chǎn)品閑置率越高、性價(jià)比越低的缺點(diǎn)[12],根據(jù)實(shí)驗(yàn)教學(xué)要求進(jìn)行熱工系統(tǒng)能量存儲(chǔ)與利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)設(shè)計(jì),為制冷本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了有力的教具支持。整個(gè)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)內(nèi)容相互關(guān)聯(lián)、逐步提高、有機(jī)統(tǒng)一。實(shí)際教學(xué)情況及學(xué)生課后反饋意見表明,該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)加強(qiáng)了學(xué)生對(duì)制冷原理、冰蓄冷技術(shù)的研究與拓展應(yīng)用等知識(shí)的理解與掌握,并進(jìn)一步提高學(xué)生自主學(xué)習(xí)的積極性,加強(qiáng)學(xué)生綜合運(yùn)用所學(xué)知識(shí)多角度分析、解決問題的能力,改善學(xué)生對(duì)專業(yè)知識(shí)的掌握深度,強(qiáng)化學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)。

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Application of self-made experimental instruments in refrigeration professional teaching

Guo Meirong, Sun Shufeng

(Department of Thermal Engineering, University of Science &Technology Beijing, Beijing 100083, China)

The developing goal and methodology of self-made instruments are introducted. It is turned out by 4 academic-years experiments that the instruments can meet the requirements for refrigeration professional experiments and the obtained results are correct, and have a good effect of experimental teaching.

self-made experimental platform; refrigeration specialty; ice-making time ; ice-making efficiency

10.16791/j.cnki.sjg.2017.05.051

2017-01-04

北京科技大學(xué)研究型教學(xué)示范課程建設(shè)項(xiàng)目“熱工自動(dòng)檢測(cè)與控制”(KC2014YJX15)；北京科技大學(xué)高等教育教學(xué)改革項(xiàng)目“以學(xué)生能力和素質(zhì)為目標(biāo)導(dǎo)向的培養(yǎng)環(huán)節(jié)路線設(shè)計(jì)與實(shí)施”(JG2014Z07)

郭美榮(1980—),女,吉林公主嶺,熱能工程碩士,工程師,主要從事熱工實(shí)驗(yàn)教學(xué)的工作與研究.

E-mail：wielia@me.ustb.edu.cn

G642.0

A

1002-4956(2017)5-0205-03