基于教学软件的“低温技术基础”教学实践

陈曦 祁影霞

摘  要：在“低温技术基础”教学过程中，引入教学研究软件，探索该软件在例题讲解以及习题分析中的应用。通过教学软件的教学示范，增强了学生运用专业基础理论知识分析解决专业问题的能力，取得了良好的教学效果。

关键词：低温技术;教学方法;教学实践;教学软件

中图分类号：G642 文献标志码：A 文章编号：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

低温技术是以热力学和传热学为理论基础发展起来的，而低温技术的发展又开拓了热力学和传热学的低温领域，不断丰富了热力学和传热学的内涵[1]。低温技术已在气体液化和分离、低温超导技术、特种材料处理及回收、航空航天技术、低温医疗等领域得到了广泛应用，随着低温技术的发展和新材料的出现，低温技术在不断开发的尖端技术中发挥着越来越重要的作用。低温技术在本世纪将有更大的发展，其前景十分广阔[2]。

随着信息技术的发展，各种教学科研软件逐渐增多。低温技术中的设计计算也从原始的查图手工计算，发展到与现在的计算机专业软件模拟相结合。比如说液化分离方面，可以结合专业的流程模拟软件HYSIS，ASPENPLUS进行介绍。工程求解器（EES）是一种简单易学的专业编程计算软件，内部集成了各种热物性和数学函数，很方便教學现场演示，使学生可以容易的学会，并利用该软件完成习题的计算分析[3]。通过EES软件，学生可以随时获得低温工质的热物性参数，能够根据“低温技术基础”中的教学要求，在老师的指导下对各种低温流程及热力过程进行数值仿真。

一、EES教学软件介绍

当前大学教育的发展方向是国际化、网络化及智能化。其中国际化体现在采用国际英文教材，英文授课方面，也体现在学习国外先进教学理念和教学方法上。网络化体现在建立精品课程教学网站，录制教学视频，建立试题库，网络互动功能等。智能化需要采用先进的教学软件，让学生能够接触最先进的学习和研究工具，有利于学生毕业后进一步深造或者进入企业容易成为研究骨干。根据“低温技术基础”的课程特点，本文提出采用先进软件进行辅助教学，而Engineering Equation Solver（EES）软件是一个不错的选择。EES软件主要由美国著名大学University of Wisconsin-Madison机械系Sanford A Klein教授开发，S.A. Klein[4]在EES软件编制中，嵌入了大量的热物性参数，方便学生调用查询各种热物性数据，使学生从繁杂的计算和查表中解脱出来，大量的时间用于掌握概念和规律，可以方便的完成各种热力循环计算和分析。美国凯特林大学（Kettering University）的A.Poumovhed等[5]在本科生课程中使用EES软件求解工程热力学问题，取得了较好的教学效果。西班牙拉科鲁纳大学的J. A. Orosa等[6]在海洋工程专业的热力学教学中应用了EES教学软件，教学效果表明，通过新的EES软件学习方法，仅用较短时间就达到了相同的教学目标。国内高校也逐渐引入EES软件进行教学科研工作，浙江大学宁波理工学院[7]在制冷原理课程教学中引入EES教学软件，对于制冷循环的教学可以达到事半功倍的效果。鲁东大学王明涛等[8]采用EES软件进行本科生工程热力学教学探索，发现可以明显提高学生兴趣和解决理论计算和工程复杂问题计算的能力。

二、基于EES软件的“低温技术基础”教学方法及教学案例

在本课程教学中，在使用EES软件之前，笔者对学生进行EES软件的基本操作、界面窗口、单位设置以及调用函数命令等方法进行一节课的简单培训。发现大多数学生都可以很好的掌握EES软件的基本操作和使用技巧。根据“低温技术基础”的课程教学内容，考虑到教学内容的特色，EES软件教学可以应用的章节包括工程材料的低温性能、获得低温的方法、气体液化及分离系统、小型低温制冷机等课堂教学。以下我们就结合几个典型的教学知识点进行详细的说明。

（一）基于EES软件的绝热放气制冷过程分析

绝热放气制冷是获得低温的一种典型方法，已用于小型氦制冷低温制冷机中，绝热放气制冷过程如下图1所示，实际过程介于左侧活塞以P1和P2压力分别推动活塞对外做功之间。我们以P1和P2压力对活塞做功为模型，可以分别推导出两个降温公式，如下公式（1）和（2）所示。

图1 绝热放气原理图

=

（1）

=·+    （2）

根据理论分析，基于公式（1）和公式（2），可以采用EES软件编程分析在两种情况下压比对温度比的影响，编制程序如下所示：

由EES软件的表格和制图功能，可以分析变压比下，温度比在两种工况下的变化情况，获得如下图2所示的计算表格及曲线图。

（二）基于EES软件的低温液化循环分析

在此节中，以一道低温液化流程的习题为例，讲解EES软件在分析低温液化流程上的应用。

习题：在使用氮气为工质的理想克劳特液化系统中，可逆等温压缩机进口参数为101.3kPa，300K，气体被压缩至4.05MPa。如果气体进入可逆绝热膨胀机的参数（3点）为4.05MPa，240K，确定产生80kJ/kg的总制冷量时， 膨胀机所需的单位膨胀量。

求解：克劳特制冷系统中的制冷量包括等温压缩制冷效应和膨胀机制冷效应。根据克劳特循环单位制冷量计算公式：

q0，pr=Zpr（h1' -h0）=-ΔhT2+Ve（h3-h4）-Σq

不考虑传热温差损失和绝热损失，故有：

q0，pr=（h1-h2）+Ve（h3-h4）

对该系统采用EES软件编程求解有以下结果：

$UnitSystem SI kPa K kJ {单位说明}

$REFERENCE Nitrogen DFT {物性基准}

P1=101.3;T1=300 {1点参数}

P2=4050;T2=300 {2点参数}

P3=P2;P4=P1;T3=240 {3点和4点参数}

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） {求解的膨胀量}

以上教学案例可以看出，在“低温技术基础”课程教学中，涉及有热物性参数参与计算的系统分析，循环计算都可以采用EES软件进行编程求解，求解和编程相对简单，可以让学生把主要精力放在热力学分析和低温原理理解上。在课程讲解、习题分析以及例题求解等方面具有重要优势。

三、教学效果及评价

鉴于EES软件的诸多优势，笔者在上海理工大学的“低温技术基础”课程教学上进行了一个学期的教学试点，总体教学效果良好，获得了大多数学生的理解和支持。在课程结束以后，对教学效果进行了问卷调查和分析。表1为教学班级的课程结束后的问卷调查结果。从表1可以看出，基于EES软件的“低温技术基础”课程教学提高了学生的学习兴趣，也提高了学生的专业软件使用能力，大多数学生利用EES软件求解和分析实际低温系统的水平也得到了极大的提高。

四、结束语

“低温技术基础”是一门传统的课程，但是随着科技的发展和现代教学技术的提高，教学方法和手段必须与时俱进，不断改革，通过现代教学软件和传统教学方法的结合来提高课程的教学质量。本文通过在课程教学中使用EES软件对课程教学中的例题讲解，习题求解等知识内容进行现场编程，取得了很好的教学效果，提高了学生的学习兴趣，也提高了学生解决实际问题的能力，对于学生将来在企业的专业工作以及进一步深造都具有重要意义。

参考文献：

[1]陈曦.低温技术基础[M].北京：中国电力出版社，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，陈光明.EES软件应用于制冷原理课程教学的研究与实践[J].科技创新导报，2016（11）：130-132.

[8]王明涛，张淑荣，夏利江，等.EES软件在工程热力学教学中的应用实践[J].教育文摘版，2016（9）：145-146.