工程热力学实验装置的研制开发与教学实践.doc

工程热力学实验装置的研制开发与教学实践 余敏 杨茉 卢玫 章立新 王帅 (上海理工大学热工程研究所 200093) 摘 要　　本文介绍了上海理工大学动力学院热工程研究所研制开发的热力学综合试验台，进行了工程热力学实验教学方法的探讨。该试验台设计合理、结构紧凑、采用先进的测量及数据采集设备，使整个试验台在功能综合性、数据精确性等各方面，达到了较高的水平。可以满足动力、机械等相关专业工程热力学等课程的实践教学需要。也可以继续深入开展研究生教学和科研的实验研究。 关键词 工程热力学　综合试验台 实验教学 随着科学技术和生产力的进一步发展，社会需要更多的综合型人才。根据“注重学科系统性向注重工程综合性教育转变”的教改思想和教育部宽专业厚基础重实践的教改精神，在教育时要淡化原有学生专业对口的观念，突出适应工程实际的观念，要从实践教学环节中强化学生能力培养，提高学生综合素质，特别是要提高学生的创新精神和动手能力。由于种种原因，以往工程热力学课的实验较少，并且有些工程热力学实验在物理学课中已开设过。为了加强工程热力学课程实践环节，我们设计研制了热力学综合试验台，并在本科生的工程热力学短学期实验教学中增加了实验内容，经实践教学效果良好。 1 工程热力学热力学综合试验台的设计开发 1．1 热力学综合试验系统的设计 考虑到对于本科阶段的实验教学，重点在于验证性实验，目的是为了让同学们熟悉和掌握教科书中的基本概念、热力设备和基本循环的工作过程等。对于硕士阶段，应该在实验的基础上，向科研方向靠拢，偏重于试验。所做的工作要有一定的创新性和系统设计的全面性。本试验台的设计研制中尽量满足两方面的需要。为使该试验台具有更完整的功能和更高的测量精度以满足不同教学层次的要求，整个试验系统的设计研制贯穿了综合性、紧促性和高精度的思想。 综合性要求紧紧围绕热力学的教学实验中各种的常规实验并加以拓展以满足研究生教学的需要，在本实验系统中，综合性表现在以下几个方面：（1）热力学第二定律的验证性实验,内容是测量换热器温差传热引起的可用能损失；（2）各种参数测量实验，流量测量如水的流量、制冷剂的质量流量，空气的流量等；温度测量包括大气、水、制冷剂温度的测量等；压力测量比如压缩机进出口压力、大气压力等。(3)各种换热器换热性能的实验，如紧凑式换热器传热与阻力性能实验、冷却塔性能实验、冷凝管，蒸发管、电量热器的传热与阻力性能实验等。（4）制冷系统中各项实验，如压缩机性能实验，制冷系数测定实验。 紧凑性，则是为了更好的利用所拥有的空间；在本系统设计时，场地空间只有60平方米左右，所以在进行设备选型、系统设计时都经过了反复的考虑与研究。 测试手段先进，精度高，对于验证性实验和科学试验都很重要，在系统设计时，充分考虑了被测对象，测试要求等各方面因素，采用了合理的、先进的测试技术和测试设备。如采用电磁流量计测量水的流量，采用功率控制器控制热水箱的加热功率等等。 该试验系统的示意图如图1所示。系统设计紧凑，功能全面。整个系统可分为氟利昂系统、水系统、电气与自动控制系统。主要设备有压缩机、冷凝器、电量热器、蒸发管，冷凝管、蒸发冷凝器、换热器、电加热水箱、冷热水循环水泵、冷却塔、各种仪表等；另外还单独设立了喷管试验台，水的沸腾过程及其P-T汽化曲线测定装置。 图1 热力学综合试验台系统图 1．2 实验系统中各设备选型及功能简介： 1） 压缩机和冷凝器采用半封闭制冷压缩机组，可以为整个系统提供最大6Kw的冷量。同时可以开设压缩机绝热压缩效率、等温压缩效率等实验。 2） 电量热器可以看为一个蒸发器，它和压缩机、冷凝器组成一个制冷循环。通过测量电量热器中的电加热功率，就可以得出制冷机组的冷量。同时，氟利昂路采用质量流量计来测量管路中的质量流量，可用于压缩机性能和循环制冷系数的测试。 3） 电加热水箱为换热器实验提供恒温热水。其中设有电加热器，隔板等。热水由热水泵提供循环动力，加热功率通过功率控制器进行调节。 4） 冷却塔为整个系统提供冷却水，其中包括冷凝器中所需要的冷却水和换热器温差传热实验中的冷水。另外配置了扶梯，方便同学观察冷却塔的构造及水与空气 在塔内进行的传热与传质过程。同时可以进行冷却塔性能实验。 5） 实验用紧凑式换热器，用来进行换热器温差传热做功能力损失实验。 也可以对不同型式的小型换热器进行换热器传热与阻力性能测试。 6） 蒸发管和蒸发冷凝器可以对不同几何尺寸的光管和翅片管进行沸腾换热性能试验。采用质量流量计来测量流过蒸发管的制冷剂质量流量。蒸发冷凝器中设有蒸发盘管和冷凝盘管、搅拌轮、电加热器，以确保蒸发冷凝器的加热功率和两路工质的换热效果。 7） 冷凝管用来测量不同几何尺寸的光管和翅片管等高效换热管的冷凝能力，从压缩机出来的高温高压制冷剂在其中被冷凝