化工原理实验预习方法探讨

吴彩金, 杨 勇, 胡 涛

(淮阴工学院 生命科学与化学工程学院, 江苏 淮安 223003)

化工原理实验预习方法探讨

吴彩金, 杨 勇, 胡 涛

(淮阴工学院 生命科学与化学工程学院, 江苏 淮安 223003)

针对学生不重视实验预习,不懂如何预习实验,造成实验效果差的现状,以化工原理实验中“对流传热系数的测定”为例,探讨了以设计者身份进行实验预习的方法,达到在做实验前对实验原理、实验装置、实验步骤、实验现象预判有清楚的理解与认识,从而大大提高实验效果,增强学生的设计能力。

实验预习； 方法探讨； 化工原理实验

为适应新时代对化工综合人才、高素质人才的需求,高等院校加大了实验室的建设投入,增强了对实验教学的研究与探讨,提出了帮助学生建立工程概念[1-4]、“开放式教学”、开发多层次实验教学内容满足不同层次学生的学习需求[5-8],并引入仿真技术来增强教学效果[9-11]等多种改进方法。然而由于学生不重视实验预习,不懂如何预习实验,失去了预习的意义,造成实验效果极差的现状。

1 实验预习应达到的目标

实验预习中只有做到4点,才能保证实验安全顺利高效地完成:

(1) 熟悉实验中用到的化学试剂的物理化学性质，尤其是有毒有害试剂的应急处理办法,这样在实验中遇到突发事故时,才能做到冷静并及时做出正确的处理,将伤害降到最低。

(2) 理解实验原理,思考实验装置的设计思路，即以实验设计者的身份思考实验方案和实验装置的设计思路,真正锻炼学生的分析能力、设计能力。

(3) 理解实验步骤的逻辑顺序关系,熟悉实验步骤，避免做每一步实验都要看一眼指导书的现象,从而有更多的精力观察实验现象、分析现象背后的道理,提高实验的效果。

(4) 预判实验步骤中每一步操作之后的实验现象，在实验中可及时发现实验的异常,检验对原理的理解程度。

2 设计者身份式预习方法示例

以化工原理实验“对流传热系数的测定”为例说明如何进行设计者身份式预习(实验试剂的物化性质预习略)。

2.1 对实验原理的理解

实验重要的是实验方案和实验装置的设计。

大多数的实验都是测量一些参数,这些参数可以分为2类:直接测量参数,如温度、压力、流量、液位、高度等,以及不可直接测量参数,即间接测量参数。

间接测量的基本思路就是找到要测量的量和可以直接测量量间的关系,将关系中可以直接测量的量测量出来后,代入关系式,计算出要测量量的值。不同的实验，区别只是要测量的量不同、间接测量参数和直接测量参数的关系不同而已,方法都是相同的。

而该实验中,要测对流传热系数,就需要找出可直接测量量与其之间的关系。传热符合能量守恒关系,即有如下关系:

(1)

只要公式(1)中除对流传热系数外其他所有参数的数值都能得到,那么就可以通过上式计算出对流传热系数。其中：

V为空气的体积流量,可以通过流量计测量；

ρ为空气密度,Cp为空气比热,这2项可以从空气的物性数据表中查到；

t2,t1分别为空气的进出口温度,可通过热电偶测量得到；

Ao,Ai分别为外管壁,内管壁的换热面积,可通过内管尺寸计算得到；

(T-Tw)m为蒸气与外管壁间的对数平均温度,其计算公式为

(2)

测量出两端蒸气温度T1、T2和外管壁的壁温Tw1、Tw2代入(2)式即可。

(t-tw)m为内管壁与空气间的对数平均温度,其计算公式为:

(3)

测量出两端内管壁的壁温tw1、tw2代入(3)式。由于内管为金属管,可以近似认为tw1=Tw1,tw2=Tw2

2.2 实验装置和物系选择的理解

选择哪2种流体来完成实验,如何设计实验装置,是该部分需要思考的问题。

2.2.1 2种流体的选择

首先,一般实验物系的选择遵循安全、便宜、易得等基本原则。最便宜的2种流体就是空气和水,也是最安全易得的。其次,还需要将其中一种加热为热的流体。又该如何选择？水的热容大,加热容易控制,所以选择水作为热流体。再次,将水加热到多少度进行实验？是加热成没有沸腾的热水,还是加热为一定压力的水蒸气？由相律理论,一种物质两相存在时,自由度为1,一相存在时,自由度为2；自由度越少,越容易控制。所以选择加热到一定压力的水蒸气,用压力控制仪表保证压力平稳。这样,体系可以选择水蒸气—水换热,以及水蒸气—空气换热。

2.2.2 主体设备的选择(以水蒸气—空气为例)

首先,换热设备的选择。换热需要在换热装置中完成,常用的换热器有套管式换热器、列管式换热器、板式换热器等。由于是实验室设备,相对比较小,选择简单的换热器容易加工,成本低,所以选择简单的套管式换热器。其次,要将常温的水加热成一定压力的蒸气,还需要一个加热设备,即蒸气发生器。再次,室内的空气是静止的,还需要使其流动起来,所以需要一个风机,常见的风机为离心式风机。

2.2.3 主体设备的连接

将选定的3个设备用管线连接起来,并相应安装阀门,需要考虑2个问题:

(1) 空气和蒸气哪个走换热器的内管,哪个走管间？由于蒸气在加热空气的过程中,会发生部分冷凝形成水,如果蒸气走内管,则换热体系就变成空气—水—水蒸气的复杂体系,和要研究的冷热2种流体换热预期不相符,所以蒸气要走管间,空气走内管。

(2) 2种流体的流动方向如何选择？即逆流、并流、还是错流？常见换热器冷热2股流体一般选择逆流,可以提高换热效率(不发生相变化)。实验设计尊重一般选择。但由于本实验蒸气发生相变化,其流向选择并不能提高换热效率。

2.2.4 其他细节的考虑

(1) 蒸气进入管间的方式。要使蒸气进入套管式换热器管间后能均匀分布,蒸气就不能直接从蒸气管端流出,因为这样的蒸气将以放射状进入管间,分布明显不均匀。改进方式是将管端封闭,在伸入管间的一段蒸气管四周开一些小孔,使蒸气从这些小孔中流出,从而大大改善蒸气分布的均匀性。

(2) 蒸气进入后发生相变化的影响。由于蒸气与空气换热后会发生部分冷凝,所以在管间的下半部分应连接冷凝水流出管,并用阀门控制开度；未冷凝的蒸气处于管间上半部分,所以在管间的上部连接蒸气排出管,同样用阀门控制开度。

2.3 理解实验步骤

实验步骤的理解就是理解其逻辑顺序关系。一般实验步骤分实验准备、正式实验、实验后处理3个部分。

2.3.1 实验准备阶段

一般包括仪器的洗涤与调节,试剂的调配等。该实验准备工作有:

(1) 蒸气的准备。开蒸气发生器涉及开进水阀、开电源,因此存在先开哪个的逻辑判断。为保护加热器,先开进水阀,后接通电源。等待蒸气升到5.05×105Pa(5 atm),则完成了蒸气的准备。

(2) 仪表投用。打开仪表台总电源开关,将仪表开关旋转至“开”的位置。仪表和风机准备好。

2.3.2 正式实验阶段

该实验正式实验阶段就是将空气和蒸气引入换热器进行热交换。是先引空气还是先引蒸气从保护设备换热器角度考虑,先引空气,后引蒸气。

(1) 引空气。引空气又涉及开风机和开风机出口阀的先后问题,由于采用的是离心式风机,为保护电机,降低启动电流,所以应该先开风机,即按下仪表盘中的“风机启动”按钮,然后再开出口阀门。开出口阀门,依然面临选择开多大的问题。同样从保护换热器角度考虑,应该全开,这样蒸气引入后,系统温度升温缓慢,从而保护设备。

(2) 引蒸气。蒸气的引入则只需依次将蒸气管路上的阀门打开,其中蒸气发生器出口的球阀全开(球阀特点,要么全开,要么全关,不作为调节流量设备采用),进入换热器的闸阀，通过阀后的压力表调节其开度，使压力稳定在50 kPa左右。

(3) 等待稳定。由于关系式(1)中左右两边都是温差,所以该实验不需要等到所有参数绝对稳定,只需要等到空气进出口温差稳定即可。然后通过调节风机出口阀门开度,改变空气体积流量,再等到空气进出口温差稳定后读数。改变实验条件2次,获得3个风速下的实验数据,则实验的主体部分完成

2.3.3 实验后处理阶段(即停装置)

一般来说,停装置的顺序是和开装置顺序相反。本实验符合一般情况,即先停蒸气，后停空气,之后关蒸气发生器,关仪表电,关仪表台电源开关。只是中间停蒸气后不能马上停空气,应继续通空气,等空气进出口温差小于10 ℃后再停空气,起到快速降温的作用。蒸气发生器在停的时候必须稍微打开蒸气排气阀,防止降温后加热釜内形成负压。

2.4 实验现象的预判

(1) 开蒸气发生器。蒸气发生器水位指示灯亮,进水泵自动启动,能听到泵转动声音,进水结束,水位指示灯灭,加热指示灯亮,开始加热,随着时间推移,压力表显示值由0增大到5.05×105Pa目标值左右。

(2) 投用仪表。仪表有数值显示,其中6个温度显示相同,并且为室温；空气流量仪表显示为零。

(3) 开风机。听到风机转动的声音；开风机出口阀,空气流量表有读数。随着阀门开大,读数相应变大。

(4) 进蒸气。蒸气阀打开后,由于蒸气要先加热蒸气管线,则蒸气阀门后的压力表不会马上显示有读数,要过一段时间,当从换热器视窗看到有蒸气进入管间后,蒸气压力表才会慢慢有读数,并且缓慢增加,相应调节阀门开度,使压力控制在50 kPa左右。

(5) 稳定阶段。蒸气进入后,仪表台上几个温度表读数都开始增大,增大速度顺序由快到慢依次为:蒸气温度表,壁温2(靠近蒸气入口端),壁温1(靠近空气进口端),空气出口温度,空气入口温度。

空气进出口温度差变化规律为先增加,后降低,之后降到一定数值后基本稳定。

3 实践方式

一种意识的培养要遵循循序渐进的方式,所以设计者身份式预习方法实践时,前3个实验由教师以该方法引导为主,当学生熟悉了解这种方法后,中间几个实验改为学生自己实践,以设计者身份提问、解释,并与教师引导相结合的方式；最后一两个实验基本由学生自己思考理解,教师只给予必要的引导。通过整个化工原理实验的实践,让学生完全掌握该方法,或者说一种思考的意识、看问题的角度。

要严格执行预习不过关不能进入实验环节的要求，否则再好的方法也会流于形式。

4 结束语

通过以设计者身份分析实验原理、实验装置、实验步骤,理解每一个细节背后的原理或逻辑,真正做到对实验的理解,做到脱离实验教材顺利做实验,并及时发现实验中的异常现象,从而检验对相关基本原理的理解程度,提高实验效果,增强学生的设计能力。

References)

[1] 焦纬洲,刘有智,袁志国,等.基于工程实践能力培养的化工原理教学模式的研究与探索[J].实验技术与管理,2014,31(3):166-168.

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[4] 戴益民,李浔,张跃飞,等.专业认证背景下化工原理实验工程素质的培养[J].化工高等教育,2013(4):39-41.

[5] 曾明荣,曾庆友,赵鹏.化工原理实验开放教学的研究与探索[J].实验技术与管理,2008,25(10):128-131.

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[11] 李华,王丽华.化工原理实验教学的不足与改进[J].实验室科学,2013,16(4):56-58.

Exploration on preview method for Chemical Engineering Principle Experiment

Wu Caijin, Yang Yong, Hu Tao

(College of Life Science and Chemical Engineering,Huaiyin Institute of Techology,Huai’an 223003,China)

To solve the worse experimental effect due to that the students do not pay any attention to or even have no idea of experimental preview, taking the “Determination of convective heat transfer coefficient” in Chemical Engineering Principle Experiment’ as an example, the preview method has been investigated, in which the students have the identities of designer. Both the experimental effect and the design ability of the students are great improved because of the clear understanding and recognizing of experimental principle, experimental instruments, experimental procedures and pre-judgement of experimental phenomena before experiment.

experimental preview; method investigation; chemical engineering principle experiment

2014- 12- 04 修改日期：2015- 01- 22

吴彩金(1973—),女,陕西渭南,博士,讲师,研究方向为计算机在化工中的应用.

E-mail：wucaijin202@126.com

G642.0

B

1002-4956(2015)7- 0210- 03