自制教学用实验台探索与实践

赵海波 吴坤 刘焕卫 华凤皎 刘畅

数字采集与控制系统由控制器和触摸屏组成。

该实验台三维图如图2所示。其工作原理是：冷水在冷水泵驱动下经过流量调节阀，再经涡轮流量计，进入由四个电磁阀组成的顺逆流转换电磁阀桥路;该桥路中，每两个为一组，打开其中一组的同时会自动关闭另外一组，目的是实现冷、热水在换热器中顺流或逆流流动方式切换;冷水经顺逆流转换电磁阀桥路后进入分水四通管（一输入三输出），分成三路，分别流向套管式、管壳式、板式三个换热器;在分水四通管的每一路冷水通路上都有一个电磁阀，设置该电磁阀通断可以实现实验过程中冷水流向指定的换热器，实现实验用换热器类型的选择;冷水进入换热器吸热升温，流出后经过集水四通管路（三输入一输出）回到顺逆流电磁阀桥路，最后流入冷水箱;热水回路中的热水在热水泵驱动下经热水流量调节阀，再经热水流量计后，进入热水分水四通管（一输入三输出），每个输出通路都有一个电磁阀控制通断，保证实验过程热水只流向一个换热器，热水流出换热器后直接流回热水箱;在变频泵、散热器以及水回路组成的冷热源稳定系统中，冷水箱的水通过冷水散热回路在散热器中将热量散掉，冷水散热回路中的变频泵根据冷水箱内温度实时调节，保证水箱温度恒定。

主要功能  该自制新型换热器综合实验台用于能源与动力工程、建筑环境与设备等专业的热工基础实验教学。该实验台主要用于壳管式、套管式和板式换热器的性能测试，研究换热器换热量随流量、温度等参数的变化规律，让学生熟悉换热器性能的测试方法，了解套管式换热器、板式换热器和列管式换热器的结构特点及其换热与流动性能的差别，加深对顺流和逆流两种流动方式换热器换热能力差别的认识。

该自制实验设备可为制冷空调综合实验、流体热工综合实验等课程的制冷空调控制系统实验、换热器性能实验两个大类实验项目服务，具体包括：

1）壳管式换热器换热性能、流动阻力性能测试实验;

2）套管式换热器换热性能、流动阻力性能测试实验;

3）板式换热器换热性能、流动阻力性能测试实验;

4）流动方式对换热器换热性能、流动阻力性能影响;

5）流动方式自动控制切换实验项目;

6）数据自动采集与显示实验项目。

主要特色  该新型换热器综合实验台采用冷热源稳定系统，通过冷水散热回路实现冷水箱温度的恒定，换热器进口水温度更准确，改变了冷水箱温度随实验进行逐渐升高的缺陷，保障了换热器性能分析与比较的顺利开展以及实验目的的顺利完成。

通过引入数字采集与控制系统，通过PLC控制模块实现对实验温度、压力和流量采集与实时显示，以及变频泵、散热器风机、冷水泵、热水泵等设备的启停、调节阀的调节。与现有的大多采用巡检仪+热电阻的采集与显示方法相比，数据采集精度大大提高，实验数据的实时显示也有助于学生更准确地理解实验目的。

引入数字采集与控制系统后，实验操作更便捷。用电磁阀替换闸阀，使得选择换热器以及流动方式时操作起来更方便，也避免了闸阀操作中容易出现滑丝、阀门不能全开或全关导致水流量测量误差较大的问题，完全实现了不同类型换热器顺流与逆流流动方式自动切换、冷热水流量自动改变、各项实验参数自动采集并显示。

与同类产品相比，在实验操作性能、数据采集与显示性能、可靠性能等方面大大提高，价格差别不大。

经过一年的试用，该自制实验台非常受学生欢迎，实验效果也比较理想。

4 结论

本文首先分析了实验台建设现状，认为自制实验台能够克服当前教学实验台存在的功能单一、可做实验项目少、操作不便等问题;接着以能源与动力工程专业传热学实验课程为例，详细介绍自制换热器综合实验台的工作原理、功能与特色。该实验台采用冷热源稳定系统和数字采集与控制系统，克服现有换热器性能测试实验设备普遍存在的冷源温度不稳定、数据采集与性能分析实时性差、操作不便等问题，测试功能和实验项目更多，更有利于得出更准確的结论。实验效果也更理想，满足了创新型人才培养的需求。相关研究为自制教学实验台的探索与实践提供了参考。

参考文献

[1]方华，徐德福，张海鸥.环境类专业自制实验教学装置的开发与使用[J].中国教育技术装备，2018（22）：29-31.

[2]杨威，崔彬，韩亮.新工科背景下自制计算机类实验设备的探索与实践[J].高校实验室科学技术，2019（3）：125-128.

[3]鲍艳，李鸿儒，张羽.“新工科”背景下以自制教仪服务于实验教学的探讨与实践[J].实验技术与管理，2018（9）：

239-242.

[4]蒋勇，冯灵慧.自制柔性制造系统在实验教学中的应用[J].实验室科学，2020（2）：125-128.

[5]韩冰，陈亚娟.自制与开发教学仪器设备提高实验技术人员能力[J].高校实验室工作研究，2011（3）：92-93.

[6]朱玉琼.换热器综合实验监控系统研究[D].武汉：武汉工程大学，2017.

[7]刘雪玲，洪荣华，胡亚才，等.热工综合实验台的设计与建设[J].实验室研究与探索，2002（6）：88-89，92.