噴霧冷卻傳熱綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建

張偉 亓航 孫曉明

摘要：為實(shí)現(xiàn)科研與教學(xué)的融合，構(gòu)建了噴霧冷卻傳熱綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。該平臺(tái)由噴霧冷卻系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成，能實(shí)現(xiàn)演示性、驗(yàn)證性和創(chuàng)新性三個(gè)層次的教學(xué)目標(biāo)。以水噴霧冷卻光滑熱表面為例，介紹了所需儀器、實(shí)驗(yàn)過(guò)程、數(shù)據(jù)處理方法。噴霧冷卻傳熱實(shí)驗(yàn)可加深學(xué)生對(duì)強(qiáng)化傳熱知識(shí)的理解，提升學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí)，并在多元化創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)中發(fā)揮了重要作用。

關(guān)鍵詞：噴霧冷卻；傳熱特性；實(shí)驗(yàn)教學(xué)；實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）23-0269-03

目前，我校能源與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生對(duì)對(duì)流傳熱、強(qiáng)化傳熱等知識(shí)的學(xué)習(xí)主要是通過(guò)專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課“傳熱學(xué)”和專(zhuān)業(yè)選修課“換熱器原理與設(shè)計(jì)”。在這兩門(mén)課中，教師僅講授一些基本理論知識(shí)，未涉及實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。而實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力中發(fā)揮了不可替代的作用[1，2]。因此，構(gòu)建綜合性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)十分必要，這不僅能幫助學(xué)生更好地掌握課程知識(shí)，更為重要的是為學(xué)生提供了一個(gè)施展平臺(tái)，有利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探索研究，是實(shí)施多元化創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式的有效保障[3]。為了更好地實(shí)踐中國(guó)石油大學(xué)（華東）提出的“三三三”本科培養(yǎng)體系[4]，本著鼓勵(lì)本科生多參與教師科研的精神，筆者結(jié)合自身的研究方向，構(gòu)建了噴霧冷卻傳熱綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。

一、噴霧冷卻傳熱實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)方案

實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)是通過(guò)噴霧冷卻熱表面的方式，研究強(qiáng)化對(duì)流傳熱的原理、方法以及影響對(duì)流傳熱的因素。整體式實(shí)驗(yàn)件、保溫腔體、加熱系統(tǒng)、噴霧冷卻系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組合而成的噴霧冷卻傳熱實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)（圖1），可以使學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的搭建過(guò)程，掌握相關(guān)儀器的選型和操作，分析強(qiáng)化傳熱的途徑、方法等。

1.整體式實(shí)驗(yàn)件。如圖2所示，整體式實(shí)驗(yàn)件為紫銅材料，由底部基座、頂部測(cè)試段和中間過(guò)渡段構(gòu)成，總高度為120mm。底部基座為圓柱體，直徑、高度分別為55mm、80mm；沿底部掏空出9個(gè)直徑10mm、高度75mm的熱源孔，用于放置電加熱棒。頂部測(cè)試段也是圓柱體，直徑、高度分別為15mm、25mm；從上表面向下5mm、12.5mm、20mm的三個(gè)截面處，沿著周向開(kāi)設(shè)8個(gè)直徑1mm、深度3.5mm的測(cè)孔，用于埋設(shè)熱電偶。

上述實(shí)驗(yàn)件的上表面是受?chē)婌F沖擊、被冷卻的表面，當(dāng)?shù)撞考訜崤c上部冷卻相平衡時(shí)，實(shí)驗(yàn)件溫度分布穩(wěn)定。通過(guò)處理采集到的溫度，可以得到噴霧冷卻傳熱特性。上表面可以是光滑表面，也可以是微結(jié)構(gòu)表面。不同的傳熱表面結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出不同的傳熱性能[5]，通過(guò)更換整體式實(shí)驗(yàn)件，可進(jìn)行微結(jié)構(gòu)表面強(qiáng)化噴霧冷卻傳熱研究，這也為學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。

2.噴霧冷卻系統(tǒng)。噴霧系統(tǒng)包括水槽、水箱、泵、流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥和噴嘴。實(shí)驗(yàn)中，水泵抽取冷水箱中的冷水，經(jīng)由轉(zhuǎn)子流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥、噴嘴對(duì)實(shí)驗(yàn)件進(jìn)行噴霧冷卻，吸熱后的熱水回流水槽，接著進(jìn)入熱水箱。噴嘴選用微細(xì)壓力霧化噴嘴（HAGO公司，1/4FB-SS+FN0.75和1/4TT-SS+TG0.3），其具有霧化角小、流量分布均勻、流量小的特點(diǎn)，可滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)要求。水泵選用的是南京歐瑞克公司的MG204XK/DC24W1磁力齒輪泵，其具有壓力高、流量低、易調(diào)節(jié)（外接調(diào)速控制器調(diào)轉(zhuǎn)速、控流量）的優(yōu)勢(shì)，以滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)噴霧工況的變化。

3.加熱系統(tǒng)。加熱系統(tǒng)產(chǎn)生熱量，使整體式實(shí)驗(yàn)件升溫，模擬電子發(fā)熱器件。交流電源、調(diào)壓器、電加熱棒、整體式實(shí)驗(yàn)件、腔體、保溫材料等組成加熱系統(tǒng)，將電加熱棒（9只，功率為200W）嵌入整體式實(shí)驗(yàn)件熱源孔中，調(diào)節(jié)調(diào)壓器輸出指定的加熱功率，匹配噴霧冷卻能力，以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)工況。整體式實(shí)驗(yàn)件放置于腔體中，兩者間隙填滿(mǎn)保溫材料，以減小熱量損失，保證熱量向上傳遞。

4.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集是實(shí)驗(yàn)中的重要環(huán)節(jié)，Agilent34972A數(shù)據(jù)采集器、34901A數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)構(gòu)成了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，它將熱電偶及壓力傳感器獲取的電壓及電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為直觀(guān)的溫度及壓力值。除了采集溫度、壓力數(shù)據(jù)外，實(shí)驗(yàn)中還配備了攝像機(jī)，拍攝實(shí)驗(yàn)件上表面發(fā)生的噴霧冷卻現(xiàn)象，用于輔助分析傳熱規(guī)律。筆者以往的研究是在封閉系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行的[5]，為了便于實(shí)驗(yàn)過(guò)程的觀(guān)察和拍攝，將原有系統(tǒng)改造為當(dāng)前的開(kāi)放式系統(tǒng)。傳熱特性或性能主要由熱流密度表征，通過(guò)采集的溫度進(jìn)行計(jì)算：

q=

式中，q為熱流密度，單位為W/m2；λ為紫銅實(shí)驗(yàn)件導(dǎo)熱系數(shù)，單位為W/（m·℃）分別為上、中、下三排熱電偶測(cè)得的溫度均值，單位為℃；分別為三排熱電偶的兩個(gè)間距，單位為m。

二、教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

針對(duì)能源與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)在傳熱技術(shù)方面對(duì)多元化創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)需求，從演示性實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)三個(gè)方面[6]構(gòu)建了噴霧冷卻傳熱實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，可以開(kāi)展以下主要實(shí)驗(yàn)。

1.噴霧冷卻傳熱認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)。通過(guò)對(duì)噴霧冷卻傳熱系統(tǒng)中各組件的組裝和管路的連接，熟悉傳熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)的搭建過(guò)程，了解和實(shí)際操作齒輪泵、流量計(jì)、霧化噴嘴、電加熱棒、調(diào)壓器、攝像機(jī)、數(shù)據(jù)采集器等儀器設(shè)備，對(duì)整體式實(shí)驗(yàn)件（模擬電子發(fā)熱元件）有直觀(guān)的認(rèn)識(shí)，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和工作打下基礎(chǔ)。

2.噴霧特性對(duì)傳熱性能影響的實(shí)驗(yàn)。在同一個(gè)整體式實(shí)驗(yàn)件上，調(diào)節(jié)噴霧流量、噴嘴高度、噴嘴傾角、霧化壓力等特征參量，研究它們與傳熱性能的內(nèi)在關(guān)系，結(jié)合課本理論知識(shí)，驗(yàn)證提升傳熱性能的因素。

3.工質(zhì)性質(zhì)對(duì)傳熱性能影響的實(shí)驗(yàn)。在同樣操作條件下，做蒸餾水和酒精等工質(zhì)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)工質(zhì)性質(zhì)（沸點(diǎn)、汽化潛熱、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)等）對(duì)傳熱性能的影響規(guī)律，結(jié)合攝像機(jī)拍攝的圖像、視頻，解釋強(qiáng)化傳熱的機(jī)理。

4.表面微結(jié)構(gòu)對(duì)傳熱性能影響的實(shí)驗(yàn)。表面微結(jié)構(gòu)化因增加了表面的凸起與凹槽，改善了表面液膜的形態(tài)，為近年來(lái)強(qiáng)化噴霧冷卻傳熱的主要方向。學(xué)生可自行設(shè)計(jì)表面微結(jié)構(gòu)，與光滑表面作對(duì)比實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)傳熱最佳的表面微結(jié)構(gòu)并進(jìn)行機(jī)理解釋。

工質(zhì)性質(zhì)、微結(jié)構(gòu)表面實(shí)驗(yàn)屬創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)，通過(guò)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程、分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、給出機(jī)理解釋等環(huán)節(jié)的訓(xùn)練，可激發(fā)學(xué)生的研究熱情，提升自我創(chuàng)新能力。

三、噴霧冷卻傳熱實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)功能的多元化

在噴霧冷卻傳熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建過(guò)程以及不同傳熱性能影響因素的綜合設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)實(shí)施、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果分析中，學(xué)生不僅完成了綜合應(yīng)用技能的強(qiáng)化和研究方法的訓(xùn)練，更重要的是，學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣自主選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案，自主完成實(shí)驗(yàn)及分析過(guò)程[6]，發(fā)現(xiàn)和探索噴霧冷卻傳熱過(guò)程的規(guī)律和原理，這樣既保證了理論教學(xué)演示性和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的開(kāi)設(shè)，又滿(mǎn)足了創(chuàng)新性、探究性和綜合性實(shí)驗(yàn)的需求，也充分發(fā)揮了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的認(rèn)識(shí)、綜合和探究功能[7]。

當(dāng)前本科畢業(yè)設(shè)計(jì)選題普遍比較老舊且以理論計(jì)算為主，同時(shí)國(guó)家又大力倡導(dǎo)青年創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)，噴霧冷卻傳熱實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)既可改善本科生畢業(yè)選題質(zhì)量，又能為本科生提供創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練的途徑。學(xué)生可結(jié)合目前高功率電子器件散熱的需求以及噴霧冷卻技術(shù)的應(yīng)用前景，自主查閱文獻(xiàn)，自主選擇或者在教師的指導(dǎo)下選擇研究?jī)?nèi)容，利用教學(xué)平臺(tái)完成項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)。這不僅培養(yǎng)了學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力，更為重要的是為學(xué)生提供了一個(gè)從理論走向?qū)嵺`的平臺(tái)，有助于提升學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力[8，9]。

噴霧冷卻傳熱實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)還可滿(mǎn)足科學(xué)研究和科技創(chuàng)新的需要，實(shí)現(xiàn)教學(xué)和科研的緊密結(jié)合。平臺(tái)可為傳熱性能實(shí)驗(yàn)、強(qiáng)化傳熱表面微結(jié)構(gòu)的優(yōu)選及傳熱機(jī)理分析提供相關(guān)設(shè)備、裝置和儀器，還可開(kāi)展納米流體噴霧冷卻、噴霧冷卻系統(tǒng)啟動(dòng)、噴霧冷卻蒸發(fā)特性等方面的研究。將科研設(shè)備、實(shí)驗(yàn)技術(shù)、科學(xué)思維引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，部分科研成果轉(zhuǎn)化為本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容，吸納學(xué)生參與教師的科研項(xiàng)目，激發(fā)學(xué)生的科研熱情，實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室資源的最大化利用[10]。

四、結(jié)語(yǔ)

噴霧冷卻傳熱實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建，將教師科研設(shè)備轉(zhuǎn)化成為本科實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了科學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的緊密結(jié)合。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，既滿(mǎn)足演示性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的要求，又具有創(chuàng)新性、設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)的功能，不僅能加深學(xué)生對(duì)強(qiáng)化傳熱知識(shí)的理解，而且可培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)、實(shí)踐動(dòng)手能力和科研創(chuàng)新意識(shí)。該平臺(tái)在實(shí)施多元化創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中發(fā)揮了重要作用。

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