基于教學軟件的“低溫技術基礎”教學實踐

陳曦 祁影霞

摘? 要：在“低溫技術基礎”教學過程中，引入教學研究軟件，探索該軟件在例題講解以及習題分析中的應用。通過教學軟件的教學示范，增強了學生運用專業基礎理論知識分析解決專業問題的能力，取得了良好的教學效果。

關鍵詞：低溫技術;教學方法;教學實踐;教學軟件

中圖分類號：G642 文獻標志碼：A 文章編號：2096-000X（2019）07-0096-03

Abstract： This article introduces the teaching research software in the teaching process of "Basic Principle of Cryogenic Technology" to explore the application of the software in the example explanation and exercise analysis. Through the teaching demonstration of teaching software， the abilities of using basic theoretical knowledge to analyze and solve professional problems are enhanced. Students' enthusiasm for learning has been improved. The good teaching effects are achieved.

Keywords： Cryogenic Technology; teaching method; teaching practice; teaching software

低溫技術是以熱力學和傳熱學為理論基礎發展起來的，而低溫技術的發展又開拓了熱力學和傳熱學的低溫領域，不斷豐富了熱力學和傳熱學的內涵[1]。低溫技術已在氣體液化和分離、低溫超導技術、特種材料處理及回收、航空航天技術、低溫醫療等領域得到了廣泛應用，隨著低溫技術的發展和新材料的出現，低溫技術在不斷開發的尖端技術中發揮著越來越重要的作用。低溫技術在本世紀將有更大的發展，其前景十分廣闊[2]。

隨著信息技術的發展，各種教學科研軟件逐漸增多。低溫技術中的設計計算也從原始的查圖手工計算，發展到與現在的計算機專業軟件模擬相結合。比如說液化分離方面，可以結合專業的流程模擬軟件HYSIS，ASPENPLUS進行介紹。工程求解器（EES）是一種簡單易學的專業編程計算軟件，內部集成了各種熱物性和數學函數，很方便教學現場演示，使學生可以容易的學會，并利用該軟件完成習題的計算分析[3]。通過EES軟件，學生可以隨時獲得低溫工質的熱物性參數，能夠根據“低溫技術基礎”中的教學要求，在老師的指導下對各種低溫流程及熱力過程進行數值仿真。

一、EES教學軟件介紹

當前大學教育的發展方向是國際化、網絡化及智能化。其中國際化體現在采用國際英文教材，英文授課方面，也體現在學習國外先進教學理念和教學方法上。網絡化體現在建立精品課程教學網站，錄制教學視頻，建立試題庫，網絡互動功能等。智能化需要采用先進的教學軟件，讓學生能夠接觸最先進的學習和研究工具，有利于學生畢業后進一步深造或者進入企業容易成為研究骨干。根據“低溫技術基礎”的課程特點，本文提出采用先進軟件進行輔助教學，而Engineering Equation Solver（EES）軟件是一個不錯的選擇。EES軟件主要由美國著名大學University of Wisconsin-Madison機械系Sanford A Klein教授開發，S.A. Klein[4]在EES軟件編制中，嵌入了大量的熱物性參數，方便學生調用查詢各種熱物性數據，使學生從繁雜的計算和查表中解脫出來，大量的時間用于掌握概念和規律，可以方便的完成各種熱力循環計算和分析。美國凱特林大學（Kettering University）的A.Poumovhed等[5]在本科生課程中使用EES軟件求解工程熱力學問題，取得了較好的教學效果。西班牙拉科魯納大學的J. A. Orosa等[6]在海洋工程專業的熱力學教學中應用了EES教學軟件，教學效果表明，通過新的EES軟件學習方法，僅用較短時間就達到了相同的教學目標。國內高校也逐漸引入EES軟件進行教學科研工作，浙江大學寧波理工學院[7]在制冷原理課程教學中引入EES教學軟件，對于制冷循環的教學可以達到事半功倍的效果。魯東大學王明濤等[8]采用EES軟件進行本科生工程熱力學教學探索，發現可以明顯提高學生興趣和解決理論計算和工程復雜問題計算的能力。

二、基于EES軟件的“低溫技術基礎”教學方法及教學案例

在本課程教學中，在使用EES軟件之前，筆者對學生進行EES軟件的基本操作、界面窗口、單位設置以及調用函數命令等方法進行一節課的簡單培訓。發現大多數學生都可以很好的掌握EES軟件的基本操作和使用技巧。根據“低溫技術基礎”的課程教學內容，考慮到教學內容的特色，EES軟件教學可以應用的章節包括工程材料的低溫性能、獲得低溫的方法、氣體液化及分離系統、小型低溫制冷機等課堂教學。以下我們就結合幾個典型的教學知識點進行詳細的說明。

（一）基于EES軟件的絕熱放氣制冷過程分析

絕熱放氣制冷是獲得低溫的一種典型方法，已用于小型氦制冷低溫制冷機中，絕熱放氣制冷過程如下圖1所示，實際過程介于左側活塞以P1和P2壓力分別推動活塞對外做功之間。我們以P1和P2壓力對活塞做功為模型，可以分別推導出兩個降溫公式，如下公式（1）和（2）所示。

圖1 絕熱放氣原理圖

=

（1）

=·+? ? （2）

根據理論分析，基于公式（1）和公式（2），可以采用EES軟件編程分析在兩種情況下壓比對溫度比的影響，編制程序如下所示：

由EES軟件的表格和制圖功能，可以分析變壓比下，溫度比在兩種工況下的變化情況，獲得如下圖2所示的計算表格及曲線圖。

（二）基于EES軟件的低溫液化循環分析

在此節中，以一道低溫液化流程的習題為例，講解EES軟件在分析低溫液化流程上的應用。

習題：在使用氮氣為工質的理想克勞特液化系統中，可逆等溫壓縮機進口參數為101.3kPa，300K，氣體被壓縮至4.05MPa。如果氣體進入可逆絕熱膨脹機的參數（3點）為4.05MPa，240K，確定產生80kJ/kg的總制冷量時， 膨脹機所需的單位膨脹量。

求解：克勞特制冷系統中的制冷量包括等溫壓縮制冷效應和膨脹機制冷效應。根據克勞特循環單位制冷量計算公式：

q0，pr=Zpr（h1' -h0）=-ΔhT2+Ve（h3-h4）-Σq

不考慮傳熱溫差損失和絕熱損失，故有：

q0，pr=（h1-h2）+Ve（h3-h4）

對該系統采用EES軟件編程求解有以下結果：

$UnitSystem SI kPa K kJ {單位說明}

$REFERENCE Nitrogen DFT {物性基準}

P1=101.3;T1=300 {1點參數}

P2=4050;T2=300 {2點參數}

P3=P2;P4=P1;T3=240 {3點和4點參數}

h1=Enthalpy（Nitrogen，T=T1，P=P1）{求h1}

h2=Enthalpy（Nitrogen，T=T2，P=P2）{求h2}

h3=Enthalpy（Nitrogen，T=T3，P=P3）{求h3}

s3=Entropy（Nitrogen，T=T3，P=P3）{求s3}

h4=Enthalpy（Nitrogen，s=s3，P=P4）{求h4}

q0pr=80;? ? ? ? ?{已知的總制冷量}

Ve=（q0pr-（h1-h2））/（h3-h4） {求解的膨脹量}

以上教學案例可以看出，在“低溫技術基礎”課程教學中，涉及有熱物性參數參與計算的系統分析，循環計算都可以采用EES軟件進行編程求解，求解和編程相對簡單，可以讓學生把主要精力放在熱力學分析和低溫原理理解上。在課程講解、習題分析以及例題求解等方面具有重要優勢。

三、教學效果及評價

鑒于EES軟件的諸多優勢，筆者在上海理工大學的“低溫技術基礎”課程教學上進行了一個學期的教學試點，總體教學效果良好，獲得了大多數學生的理解和支持。在課程結束以后，對教學效果進行了問卷調查和分析。表1為教學班級的課程結束后的問卷調查結果。從表1可以看出，基于EES軟件的“低溫技術基礎”課程教學提高了學生的學習興趣，也提高了學生的專業軟件使用能力，大多數學生利用EES軟件求解和分析實際低溫系統的水平也得到了極大的提高。

四、結束語

“低溫技術基礎”是一門傳統的課程，但是隨著科技的發展和現代教學技術的提高，教學方法和手段必須與時俱進，不斷改革，通過現代教學軟件和傳統教學方法的結合來提高課程的教學質量。本文通過在課程教學中使用EES軟件對課程教學中的例題講解，習題求解等知識內容進行現場編程，取得了很好的教學效果，提高了學生的學習興趣，也提高了學生解決實際問題的能力，對于學生將來在企業的專業工作以及進一步深造都具有重要意義。

參考文獻：

[1]陳曦.低溫技術基礎[M].北京：中國電力出版社，2018.

[2]Randall F. Barron. Cryogenic Systems， 2nd Edition[M].Oxford： Oxford University Press，1985.

[3]Klein S A，Nellis G. Thermodynamics[M].Cambridge University Press，2012.

[4]SA Klein， Development and integration of an equation-solving program for engineering thermodynamics courses[J].computer applications in engineering education，2015，1（3）：265-275.

[5]A.Poumovhed， C.M.Jeruzal， S.M.A. Nekooei， Teaching applied thermodynamics with EES[C].ASME International Mechanical Engineering congress and Exposition，2002：105-120.

[6]J. A. Orosa， J. R. Calvo. The learning process implementation of the marine engineer's thermodynamics by the EES software according to European studies[C].International Conference on Power Engineering，2009：645-648 ISBN：978-1-4244-2291-3.

[7]虞效益，陳光明.EES軟件應用于制冷原理課程教學的研究與實踐[J].科技創新導報，2016（11）：130-132.

[8]王明濤，張淑榮，夏利江，等.EES軟件在工程熱力學教學中的應用實踐[J].教育文摘版，2016（9）：145-146.