自制教學用實驗臺探索與實踐

趙海波 吳坤 劉煥衛 華鳳皎 劉暢

數字采集與控制系統由控制器和觸摸屏組成。

該實驗臺三維圖如圖2所示。其工作原理是：冷水在冷水泵驅動下經過流量調節閥，再經渦輪流量計，進入由四個電磁閥組成的順逆流轉換電磁閥橋路;該橋路中，每兩個為一組，打開其中一組的同時會自動關閉另外一組，目的是實現冷、熱水在換熱器中順流或逆流流動方式切換;冷水經順逆流轉換電磁閥橋路后進入分水四通管（一輸入三輸出），分成三路，分別流向套管式、管殼式、板式三個換熱器;在分水四通管的每一路冷水通路上都有一個電磁閥，設置該電磁閥通斷可以實現實驗過程中冷水流向指定的換熱器，實現實驗用換熱器類型的選擇;冷水進入換熱器吸熱升溫，流出后經過集水四通管路（三輸入一輸出）回到順逆流電磁閥橋路，最后流入冷水箱;熱水回路中的熱水在熱水泵驅動下經熱水流量調節閥，再經熱水流量計后，進入熱水分水四通管（一輸入三輸出），每個輸出通路都有一個電磁閥控制通斷，保證實驗過程熱水只流向一個換熱器，熱水流出換熱器后直接流回熱水箱;在變頻泵、散熱器以及水回路組成的冷熱源穩定系統中，冷水箱的水通過冷水散熱回路在散熱器中將熱量散掉，冷水散熱回路中的變頻泵根據冷水箱內溫度實時調節，保證水箱溫度恒定。

主要功能? 該自制新型換熱器綜合實驗臺用于能源與動力工程、建筑環境與設備等專業的熱工基礎實驗教學。該實驗臺主要用于殼管式、套管式和板式換熱器的性能測試，研究換熱器換熱量隨流量、溫度等參數的變化規律，讓學生熟悉換熱器性能的測試方法，了解套管式換熱器、板式換熱器和列管式換熱器的結構特點及其換熱與流動性能的差別，加深對順流和逆流兩種流動方式換熱器換熱能力差別的認識。

該自制實驗設備可為制冷空調綜合實驗、流體熱工綜合實驗等課程的制冷空調控制系統實驗、換熱器性能實驗兩個大類實驗項目服務，具體包括：

1）殼管式換熱器換熱性能、流動阻力性能測試實驗;

2）套管式換熱器換熱性能、流動阻力性能測試實驗;

3）板式換熱器換熱性能、流動阻力性能測試實驗;

4）流動方式對換熱器換熱性能、流動阻力性能影響;

5）流動方式自動控制切換實驗項目;

6）數據自動采集與顯示實驗項目。

主要特色? 該新型換熱器綜合實驗臺采用冷熱源穩定系統，通過冷水散熱回路實現冷水箱溫度的恒定，換熱器進口水溫度更準確，改變了冷水箱溫度隨實驗進行逐漸升高的缺陷，保障了換熱器性能分析與比較的順利開展以及實驗目的的順利完成。

通過引入數字采集與控制系統，通過PLC控制模塊實現對實驗溫度、壓力和流量采集與實時顯示，以及變頻泵、散熱器風機、冷水泵、熱水泵等設備的啟停、調節閥的調節。與現有的大多采用巡檢儀+熱電阻的采集與顯示方法相比，數據采集精度大大提高，實驗數據的實時顯示也有助于學生更準確地理解實驗目的。

引入數字采集與控制系統后，實驗操作更便捷。用電磁閥替換閘閥，使得選擇換熱器以及流動方式時操作起來更方便，也避免了閘閥操作中容易出現滑絲、閥門不能全開或全關導致水流量測量誤差較大的問題，完全實現了不同類型換熱器順流與逆流流動方式自動切換、冷熱水流量自動改變、各項實驗參數自動采集并顯示。

與同類產品相比，在實驗操作性能、數據采集與顯示性能、可靠性能等方面大大提高，價格差別不大。

經過一年的試用，該自制實驗臺非常受學生歡迎，實驗效果也比較理想。

4 結論

本文首先分析了實驗臺建設現狀，認為自制實驗臺能夠克服當前教學實驗臺存在的功能單一、可做實驗項目少、操作不便等問題;接著以能源與動力工程專業傳熱學實驗課程為例，詳細介紹自制換熱器綜合實驗臺的工作原理、功能與特色。該實驗臺采用冷熱源穩定系統和數字采集與控制系統，克服現有換熱器性能測試實驗設備普遍存在的冷源溫度不穩定、數據采集與性能分析實時性差、操作不便等問題，測試功能和實驗項目更多，更有利于得出更準確的結論。實驗效果也更理想，滿足了創新型人才培養的需求。相關研究為自制教學實驗臺的探索與實踐提供了參考。

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