大學熱動專業實驗的創新研究

宗雯文 唐靜君

【摘 要】針對大學熱動專業熱學綜合性實驗開展難度較大問題進行創新研究，設計熱學綜合實驗臺，基于一套實驗系統可完成熱能工程實驗、傳熱學實驗、熱泵及熱交換器性能測試實驗。豐富了實驗內容，提高了實驗效率，降低了實驗成本，對大學熱動專業實驗教學的創新研究具有積極的借鑒意義和參考價值。

【關鍵詞】熱動；熱能工程；傳熱學；性能測試；實驗

中圖分類號： TM743 文獻標識碼： A 文章編號： 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

隨著熱學在工業中的應用越來越廣，國內越來越多的大學開設了熱動專業。然而面臨的一項主要問題就是如何能夠在學校實驗室較好的模擬工業系統熱能工程過程，并且盡可能的降低實驗成本。因為，熱能工程實驗往往需要建立由多種儀器、設備共同組成的綜合熱能系統，投入較大。并且，學生在實驗過程中也很難一次性完全掌握系統整體工作原理和控制過程，花費的實驗時間也較長。因此，探索應用一套實驗系統進行多種熱學實驗的方法是老師和學生的共同需求，不僅可以節約實驗成本，而且更有益于學生對知識的理解和掌握。

陳乾等人應用LED技術對熱學特性進行了研究并應用在實驗過程中[1]。張羽等人對熱學中的恒溫箱進行了研究，設計了一套智能控制系統[2]。薛洪濤等人對制冷片進行了研究，設計了熱敏電阻實驗裝置[3]。白炳良等人設計了熱學實驗單片機控制系統[4]。此外，在熱學實驗中涉及的元器件及控制方面也有一定研究[5]。但利用綜合系統進行多項熱能工程實驗的研究在國內還不多見，因此探索綜合性實驗系統對熱動專業的老師和學生是必然需求。

在研究熱學原理和工業應用的基礎上，設計了熱學實驗的實驗臺。該實驗臺可以完成包括熱能工程實驗、傳熱學實驗和熱泵和熱交換器性能測試實驗的三項實驗內容。提高了實驗系統的利用效率，豐富了實驗內容，較好的滿足了熱學專業實驗教學要求。

1 實驗原理及實驗系統

實驗依據熱平衡法模擬熱力循環過程并對設備性能參數進行測試。實驗系統主要由制冷壓縮機、蒸發器、冷凝器、恒溫水箱、熱交換器和控制系統組成。實驗系統如圖1所示。在該實驗系統中，熱力循環流程為：來自蒸發器的工質蒸汽被壓縮機吸入，經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釋放熱量并降低溫度而成為液體；冷凝后的高壓液體經閥體節流，以低溫低壓液體形式進入蒸發器，在蒸發器中低溫液體吸取熱源的熱量蒸發為蒸汽，并再次被壓縮機吸入，工質在此封閉系統中實現循環。

2 實驗內容

基于設計的實驗系統和熱學原理，應用該實驗系統主要可進行三項內容的熱學實驗，下面將具體對三項實驗內容進行分析。

實驗一，熱能工程實驗。熱能工程實驗裝置主體是基于設計的實驗系統，具體應用實驗系統中的壓縮機、蒸發器、冷凝水箱和相關管路。實驗過程為，壓縮機將液態水進行壓縮，形成水蒸氣，水蒸氣經通流管路流至蒸發器，蒸發器吸收熱量，氣態水重新變成液態，流入蒸發水箱。這部分是液態水變成水蒸氣，再由水蒸氣變成液態水的熱能變化過程，是通過制熱循環裝置完成。當然，此過程是可逆的，逆過程實驗仍然可以通過這部分系統完成。區別就是要利用冷凝水箱進行冷卻，這是一套制冷循環裝置。該實驗過程是模擬制冷、制熱過程，具體可反應空調、保溫箱等工業產品的實際工作過程。因此，實驗一驗證了熱學的基本原理，反應了溫度、體積、壓力等熱學基本參數關系。

實驗二，傳熱學實驗。在實驗一基礎上，可以對實驗進行拓展。依據傳熱學基本原理，可以進行傳熱學相關內容的實驗。在水箱輸入、輸出口位置安裝熱電偶，對熱電偶進行溫度標定，可以通過控制系統電流、電壓和功率，觀測蒸發水箱和冷凝水箱的溫度變化，可對熱流進行測量，對制熱、制冷溫度進行實時監控，驗證傳熱學中加熱和冷卻過程。在實驗一中，吸熱與放熱的熱能變化過程同樣也可作為傳熱學實驗的一部分進行實驗分析。

實驗三，熱泵和熱交換器性能測試實驗。該實驗系統由外部工況調節系統、實驗制冷系統、水系統、測量控制系統組成。其中外部工況調節系統由制冷機、冷凝側恒溫水箱、蒸發側恒溫水箱、冷凝側恒溫水箱可變電加熱、蒸發側恒溫水箱可變電加熱組成。實驗制冷系統由變頻壓縮機、冷凝側板式熱交換器、蒸發側板式熱交換器、制冷劑流量調節裝置、汽液分離器、高低壓開關組成。水系統由管路、接頭、閥門、冷凝側恒溫水箱循環水泵、蒸發側恒溫水箱循環水泵組成。測量控制系統由上位計算機、數據采集卡、PID調節儀、傳感器（溫度、壓力）、流量計、溫度調節儀、固態繼電器、變頻器、電功率表、強電控制箱組成。此實驗共分三部分。第一部分進行壓縮機制冷量實驗，為系統設定一個冷凝溫度和一個蒸發溫度，測出壓縮機在設定工況下的制冷量與性能系數。第二部分進行蒸發溫度對壓縮機制冷性能影響實驗，為系統設定一個冷凝溫度和一系列蒸發溫度，測出壓縮機在冷凝溫度一定時，不同的蒸發溫度與壓縮機制冷量以及性能系數的關系。第三部分進行冷凝溫度對壓縮機制冷性能影響實驗，為系統設定一個蒸發溫度和一系列冷凝溫度，測出壓縮機在蒸發溫度一定時，不同的冷凝溫度對壓縮機制冷量以及性能系數的關系。同時，上述過程觀測對象可選擇熱交換器，將傳感器布置在熱交換器兩側，分別設置不同蒸發與冷凝的數據，可進行熱交換器性能的測試。

在實驗過程中，實驗步驟為，打開總電源，按下控制面板上的紅色復位按鈕。待溫控表啟動自檢完成后，將其設置為自動模式，并分別設定好蒸發側與冷凝側恒溫水箱溫度。依次打開水泵、制冷機、電加熱、換向閥和變頻器。待設置完成后，打開系統軟件，選定冷凝溫度和蒸發溫度并填入設置框，進行實驗。一般設定的冷凝溫度范圍為30-35℃，蒸發溫度設定范圍為15-25℃。實驗完成后，系統將自動保存本次實驗數據。實驗完成后，可以獲得壓縮機在冷凝溫度一定情況下，其制冷量與蒸發溫度之間的變化曲線；壓縮機在蒸發溫度一定情況下，其功率與冷凝溫度之間的變化曲線。

以上就是利用設計的實驗系統完成多項熱學實驗過程，可以看出，該實驗系統能夠進行熱能工程、傳熱學等熱動專業多門課程的實驗教學工作，節約了設備成本，提高了實驗效率，師生對教學效果的滿意度也較高。

3 結論

通過設計熱能工程實驗教學系統，達到了進行熱動專業多門課程單一及綜合實驗過程的目的，提升了熱能工程實驗效率。實驗系統主要可完成熱能工程實驗、傳熱學實驗、熱泵和熱交換器性能測試實驗。實驗內容豐富、工作過程易于理解，整體實驗結構合理。該研究過程對大學熱動專業實驗教學的創新研究具有積極的借鑒意義和參考價值。

【參考文獻】

[1]陳乾，戴玉蓉，孫貴寧，楊蕾.LED熱學特性研究及應用實驗儀[J].物理實驗，2017（7）：39-42.

[2]張羽，胡孟軍，冉奉民，趙月然.熱學實驗恒溫箱的智能控制設計[J].大學物理實驗，2014（12）：78-80.

[3]薛洪濤，李載亭.基于單片機的半導體制冷片的熱敏電阻實驗[J].大學物理實驗，2012（6）：28-31.

[4]白炳良，周錦榮.基于單片機的開關電源并聯供電系統的設計[J].大學物理實驗，2013（6）：58-60.

[5]胡曉紅，凡風仙，黃曉璜，魏燕.模塊化、開放式工程燃燒學實驗教學研究[J].實驗室科學，2017（4）：137-139.