自然對流換熱實驗設備優化改造及教學改革

胡 靜, 劉雅琳, 嚴雙志

(西安建筑科技大學 環境與市政工程學院 國家級環境類專業實驗教學示范中心, 陜西 西安 710055)

大空間內水平圓管外表面的自然對流換熱是日常生活與工業生產中普遍存在的現象, 國內外學者[1-2]針對這一問題進行了大量的實驗研究和數值模擬研究。水平圓管外自然對流換熱實驗,是傳熱學大綱要求的實驗項目,也是我校特色專業建筑環境與能源應用工程的必做專業基礎實驗,該項實驗對于培養學生的實踐應用能力至關重要。然而,現有的實驗設備使用年限太久,儀器設備老化,使用功能不全,測量誤差大,實驗進程長,控制系統易受干擾,實驗工況不穩定,實驗教學效果不佳,已經難以適用當前實驗教學的改革和發展[3]。考慮到目前學校實驗經費緊張的狀況,更換全新前沿的實驗設備成本過高[4],本文在總結了原實驗設備的優缺點后,結合理論與實驗教學的要求,對原實驗設備進行了優化改造,并改革了實驗教學方式。

1 實驗原理

根據相似理論,空氣沿水平管外表面自然對流時,一般可以得到以下指數形式的準則關系式：

Nu=c(Gr,Pr)n

(1)

(2)

(3)

式中：Nu為努塞爾數；Gr為格拉曉夫數；Pr為普朗特準則數,是溫度的函數；c和n均為常數；λ為空氣導熱系數；h為傳熱系數；ν為運動黏度；為空氣的容積膨脹系數,取理想氣體的膨脹系數,=1/(Tm+273)；g是重力加速度；D是管子外徑；Δt是遠離管壁的空氣溫度差,Δt=tw-tf,tf為空氣溫度,tw為管外壁溫。

本項實驗的目的就是通過實驗測試確定常數c和n。在準則式中, 空氣的導熱系數, 運動黏度ν,以及普朗特準則數Pr可以根據實驗管壁面溫度tw和環境空氣溫度tf的平均值tm查閱手冊內插得到。

本實驗的關鍵是對流換熱表面傳熱系數h的確定。對流換熱表面傳熱系數h的定義：h=Qa/(FΔt),Qa為水平管外表面與周圍空氣之間的對流換熱量,F水平管的外表面積，F=DL,L為水平管的有效長度。在氣體中的對流換熱,不可避免地會伴隨有換熱壁面與周圍環境的輻射換熱,因此,管的實際傳出熱量Q為對流換熱和輻射換熱量之和:

Q=Qa+Qr=hF(tw-tf)+

(4)

式中,Qr為輻射熱量，為實驗管外表面的黑度,C0為黑體輻射系數，C0=5.67 W/m2·K4。這里假定了環境溫度即空氣溫度。水平管外表面對流換熱表面傳熱系數就可以由下式確定：

h=[Q/F-

(5)

要確定式(1)中的c和n,還需要測量的Nu-GrPr數據足夠多,GrPr變化范圍足夠大。這就要求測量出不同范圍內足夠度的數據,進而才能更好地利用相似原理[5]處理數據,得到準則關聯式。

2 設備優化改造

2.1 設備改造背景

現有的水平圓管外自然對流換熱實驗設備,該設備是由單一的電路控制箱進行統一調節,每次實驗只能對一個水平管進行電壓控制,無法實現多個水平圓管的同時測試。另外，由于實驗學時有限,學生無法在有限的時間內測得足夠多的實驗數據，而擬合準則關聯式時需要多個相似現象下的實驗參數,數據要足夠多,擬合才越準確；而且，當被加熱的水平管的熱量到達控制箱設定的溫度時,加熱一般會停止,實驗工況無法達到恒定,水平管溫度也不穩定,不利于實驗穩定工況下的數據采集。

此外,現有設備直接顯示讀數,學生在實驗過程中只是機械地進行觀察記錄,無法對實驗原理得到深刻的理解和掌握。實驗也多為驗證性實驗,不利于學生綜合實踐能力和創新能力的培養[6]。

2.2 設備改造的目標

基于上述原有實驗中的不足和缺陷,對原有的實驗設備進行了優化改造,保留原設備中不影響實驗效果的部分,按照科學合理、安全實用、經濟節約、綜合性強、手動操作與自動控制并存的設計思想和原則[3]對原有設備進行優化改造，使實驗條件提升、實驗工況穩定,并將原來的驗證性實驗改革為設計性實驗,激發學生參與實驗的積極性,并建立有效的激勵機制,調動學生的自主性和積極性[7]。

2.3 優化改造后設備簡介

優化改造后的設備主要由以下部分組成：

(1) 實驗本體系統。本體為水平圓管一套,放置在封閉的大空間玻璃房內,水平圓管對應管徑分別為80、60、40、20 mm,實驗管段構造如圖1所示；實驗管內裝有電加熱器,兩端有絕熱蓋,計算中可略去軸向熱損失。實驗管上有熱電偶嵌入管壁,使用電位差計測量管壁熱電勢,從而計算管壁外表面溫度。

圖1 實驗管段構造示意圖

(2) 獨立的電加熱測量系統。為獲得穩定的加熱功率,各實驗管采用直流穩壓電源加熱,一套設備中4種不同直徑的實驗管段各自分別連接相互獨立的電加熱測量系統。為了保持加熱穩定,每個獨立的電加熱系統各自配備調壓器穩定輸入電壓,并各自配備獨立的功率表。實驗時,一套設備可在4個不同的加熱功率下同時開展,并且互不干擾,工況穩定,保證了后續測量的準確性。獨立控制參數,避免了儀器誤差,實現了精準控制[8]。

(3) 溫度測量及其數顯系統。溫度的測量包括實驗管周圍空氣溫度和實驗管壁面溫度。空氣溫度測點位于離實驗管1 m左右下方,使用半導體溫度計測量,溫度直接顯示在測量室的儀表上。

實驗圓管上共設置多個溫度傳感器焊點,考慮到電加熱管可能存在加熱不均勻或偏心等情況, 焊點分別在軸向等距分布, 同時在圓周方向等角度分布,實驗管壁面溫度取自壁面不同部位溫度的平均值,每個實驗管根據長短不同,布置有不同數目的銅-康銅測溫熱電偶。測量表面溫度的感溫元件的引線均接入控制箱,通過數字式顯示儀表直接顯示出溫度值。

優化改造后的實驗設備系統示意圖見圖2。

圖2 優化改造后實驗設備系統示意圖

3 改革現有實驗教學方式

教學方式從傳統的驗證性實驗改革為設計性實驗，學生根據實驗原理以及改造后的實驗條件,獨立設計自己的實驗方案以及實驗操作步驟；進入實驗室后,在實驗教師的講解和指導下,熟悉實驗中所用的設備,然后按照自己設計好的方案,進行獨立實驗。

優化改造后的實驗設備,每套可以同時實現4個不同的加熱功率下的實驗工況,每個加熱功率下持續加熱6 h(實驗開始前有實驗教師提前加熱)。因此,在每一次實驗測試工況下,學生可以分成小組，在多套設備下同時獨立進行實驗測試,手動測量與數顯測量兩種方式并存[9]。實驗現象相似,各組學生通過設定不同的加熱量即可得到多個穩定的實驗工況,可以采集到更多的實驗數據,利于實驗數據的處理以及實驗結果的獲得。優化改造后,學生在2學時內就可以完成實驗要求的所有內容,相比傳統的教學方式,既按規定完成了實驗測試,又提高了實驗教學的效果。

4 優化改造后設備在實驗教學實踐中的優勢

(1) 設備改造后,在大綱要求的時間內,通過學生的多組測試,數據采集量大,為使用相似原理處理數據提供了準確而足夠的數量來源,保證了實驗測試的穩定性,利于準則關聯式的擬合。

(2) 學生在改造后的實驗設備條件下,可將驗證性實驗性質改為設計性實驗,更加有利于培養學生實踐動手能力和創新能力。設計性實驗能有效提高學生的參與度, 充分發揮了為生的主體性和積極性,更加有利于實驗教學的改革與發展[10],

(3) 設備優化改造后,加入手動調節操作,增強學生的參與感,加深理解記憶,并實現了控制方式的多樣化。這種從實驗方案設計到實際動手操作,全程體驗式的教學方式[11]更容易被學生記住,提升了實驗教學的效果,有利于創新人才的培養。

(4) 優化改造的實驗設備中,將所使用的儀表設計為可安裝拆卸式,當前實驗使用完之后,儀表也可以用于其他實驗項目,實現了實驗教學資源靈活配置,提高了設備利用率[12]。

(5) 優化改造充分發揮了儀器設備的潛能,使設備在一定程度上增加了使用價值[4],延長其使用年限。

5 結語

實驗技術人員對實驗教學設備進行優化改造,既有效解決了現有實驗教學條件的種種問題,避免了設備整體更替的高成本,又實現了教學方式從傳統驗證性實驗向綜合設計型實驗的轉變。設備優化改造后體現出了多方面的優勢,學生興趣濃厚,取得了良好的教學效果。