大学热动专业实验的创新研究

宗雯文 唐静君

【摘 要】针对大学热动专业热学综合性实验开展难度较大问题进行创新研究，设计热学综合实验台，基于一套实验系统可完成热能工程实验、传热学实验、热泵及热交换器性能测试实验。丰富了实验内容，提高了实验效率，降低了实验成本，对大学热动专业实验教学的创新研究具有积极的借鉴意义和参考价值。

【关键词】热动；热能工程；传热学；性能测试；实验

中圖分类号： TM743 文献标识码： A 文章编号： 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

随着热学在工业中的应用越来越广，国内越来越多的大学开设了热动专业。然而面临的一项主要问题就是如何能够在学校实验室较好的模拟工业系统热能工程过程，并且尽可能的降低实验成本。因为，热能工程实验往往需要建立由多种仪器、设备共同组成的综合热能系统，投入较大。并且，学生在实验过程中也很难一次性完全掌握系统整体工作原理和控制过程，花费的实验时间也较长。因此，探索应用一套实验系统进行多种热学实验的方法是老师和学生的共同需求，不仅可以节约实验成本，而且更有益于学生对知识的理解和掌握。

陈乾等人应用LED技术对热学特性进行了研究并应用在实验过程中[1]。张羽等人对热学中的恒温箱进行了研究，设计了一套智能控制系统[2]。薛洪涛等人对制冷片进行了研究，设计了热敏电阻实验装置[3]。白炳良等人设计了热学实验单片机控制系统[4]。此外，在热学实验中涉及的元器件及控制方面也有一定研究[5]。但利用综合系统进行多项热能工程实验的研究在国内还不多见，因此探索综合性实验系统对热动专业的老师和学生是必然需求。

在研究热学原理和工业应用的基础上，设计了热学实验的实验台。该实验台可以完成包括热能工程实验、传热学实验和热泵和热交换器性能测试实验的三项实验内容。提高了实验系统的利用效率，丰富了实验内容，较好的满足了热学专业实验教学要求。

1 实验原理及实验系统

实验依据热平衡法模拟热力循环过程并对设备性能参数进行测试。实验系统主要由制冷压缩机、蒸发器、冷凝器、恒温水箱、热交换器和控制系统组成。实验系统如图1所示。在该实验系统中，热力循环流程为：来自蒸发器的工质蒸汽被压缩机吸入，经压缩提高压力与温度后排入板式冷凝器，在冷凝器中蒸汽向冷却介质释放热量并降低温度而成为液体；冷凝后的高压液体经阀体节流，以低温低压液体形式进入蒸发器，在蒸发器中低温液体吸取热源的热量蒸发为蒸汽，并再次被压缩机吸入，工质在此封闭系统中实现循环。

2 实验内容

基于设计的实验系统和热学原理，应用该实验系统主要可进行三项内容的热学实验，下面将具体对三项实验内容进行分析。

实验一，热能工程实验。热能工程实验装置主体是基于设计的实验系统，具体应用实验系统中的压缩机、蒸发器、冷凝水箱和相关管路。实验过程为，压缩机将液态水进行压缩，形成水蒸气，水蒸气经通流管路流至蒸发器，蒸发器吸收热量，气态水重新变成液态，流入蒸发水箱。这部分是液态水变成水蒸气，再由水蒸气变成液态水的热能变化过程，是通过制热循环装置完成。当然，此过程是可逆的，逆过程实验仍然可以通过这部分系统完成。区别就是要利用冷凝水箱进行冷却，这是一套制冷循环装置。该实验过程是模拟制冷、制热过程，具体可反应空调、保温箱等工业产品的实际工作过程。因此，实验一验证了热学的基本原理，反应了温度、体积、压力等热学基本参数关系。

实验二，传热学实验。在实验一基础上，可以对实验进行拓展。依据传热学基本原理，可以进行传热学相关内容的实验。在水箱输入、输出口位置安装热电偶，对热电偶进行温度标定，可以通过控制系统电流、电压和功率，观测蒸发水箱和冷凝水箱的温度变化，可对热流进行测量，对制热、制冷温度进行实时监控，验证传热学中加热和冷却过程。在实验一中，吸热与放热的热能变化过程同样也可作为传热学实验的一部分进行实验分析。

实验三，热泵和热交换器性能测试实验。该实验系统由外部工况调节系统、实验制冷系统、水系统、测量控制系统组成。其中外部工况调节系统由制冷机、冷凝侧恒温水箱、蒸发侧恒温水箱、冷凝侧恒温水箱可变电加热、蒸发侧恒温水箱可变电加热组成。实验制冷系统由变频压缩机、冷凝侧板式热交换器、蒸发侧板式热交换器、制冷剂流量调节装置、汽液分离器、高低压开关组成。水系统由管路、接头、阀门、冷凝侧恒温水箱循环水泵、蒸发侧恒温水箱循环水泵组成。测量控制系统由上位计算机、数据采集卡、PID调节仪、传感器（温度、压力）、流量计、温度调节仪、固态继电器、变频器、电功率表、强电控制箱组成。此实验共分三部分。第一部分进行压缩机制冷量实验，为系统设定一个冷凝温度和一个蒸发温度，测出压缩机在设定工况下的制冷量与性能系数。第二部分进行蒸发温度对压缩机制冷性能影响实验，为系统设定一个冷凝温度和一系列蒸发温度，测出压缩机在冷凝温度一定时，不同的蒸发温度与压缩机制冷量以及性能系数的关系。第三部分进行冷凝温度对压缩机制冷性能影响实验，为系统设定一个蒸发温度和一系列冷凝温度，测出压缩机在蒸发温度一定时，不同的冷凝温度对压缩机制冷量以及性能系数的关系。同时，上述过程观测对象可选择热交换器，将传感器布置在热交换器两侧，分别设置不同蒸发与冷凝的数据，可进行热交换器性能的测试。

在实验过程中，实验步骤为，打开总电源，按下控制面板上的红色复位按钮。待温控表启动自检完成后，将其设置为自动模式，并分別设定好蒸发侧与冷凝侧恒温水箱温度。依次打开水泵、制冷机、电加热、换向阀和变频器。待设置完成后，打开系统软件，选定冷凝温度和蒸发温度并填入设置框，进行实验。一般设定的冷凝温度范围为30-35℃，蒸发温度设定范围为15-25℃。实验完成后，系统将自动保存本次实验数据。实验完成后，可以获得压缩机在冷凝温度一定情况下，其制冷量与蒸发温度之间的变化曲线；压缩机在蒸发温度一定情况下，其功率与冷凝温度之间的变化曲线。

以上就是利用设计的实验系统完成多项热学实验过程，可以看出，该实验系统能够进行热能工程、传热学等热动专业多门课程的实验教学工作，节约了设备成本，提高了实验效率，师生对教学效果的满意度也较高。

3 结论

通过设计热能工程实验教学系统，达到了进行热动专业多门课程单一及综合实验过程的目的，提升了热能工程实验效率。实验系统主要可完成热能工程实验、传热学实验、热泵和热交换器性能测试实验。实验内容丰富、工作过程易于理解，整体实验结构合理。该研究过程对大学热动专业实验教学的创新研究具有积极的借鉴意义和参考价值。

【参考文献】

[1]陈乾，戴玉蓉，孙贵宁，杨蕾.LED热学特性研究及应用实验仪[J].物理实验，2017（7）：39-42.

[2]张羽，胡孟军，冉奉民，赵月然.热学实验恒温箱的智能控制设计[J].大学物理实验，2014（12）：78-80.

[3]薛洪涛，李载亭.基于单片机的半导体制冷片的热敏电阻实验[J].大学物理实验，2012（6）：28-31.

[4]白炳良，周锦荣.基于单片机的开关电源并联供电系统的设计[J].大学物理实验，2013（6）：58-60.

[5]胡晓红，凡风仙，黄晓璜，魏燕.模块化、开放式工程燃烧学实验教学研究[J].实验室科学，2017（4）：137-139.