自然對流換熱實(shí)驗(yàn)設(shè)備優(yōu)化改造及教學(xué)改革

　　摘要：對自然對流換熱設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化改造，保留了不影響實(shí)驗(yàn)過程的本體部分，優(yōu)化設(shè)計(jì)了獨(dú)立的電加熱測量系統(tǒng)和溫度測量數(shù)顯系統(tǒng)，解決了現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)耗時(shí)長、數(shù)據(jù)采集量小、實(shí)驗(yàn)工況不穩(wěn)定、設(shè)備故障等問題。優(yōu)化改造后的設(shè)備提供了更加成熟且靈活的實(shí)驗(yàn)條件，使教學(xué)方式從傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)改革為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，并在日常的教學(xué)實(shí)踐中體現(xiàn)出諸多優(yōu)勢，具有一定推廣價(jià)值。

　　關(guān)鍵詞：自然對流換熱;實(shí)驗(yàn)裝置;設(shè)備優(yōu)化改造;教學(xué)方式

　　大空間內(nèi)水平圓管外表面的自然對流換熱是日常生活與工業(yè)生產(chǎn)中普遍存在的現(xiàn)象，國內(nèi)外學(xué)者[1-2]針對這一問題進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)研究和數(shù)值模擬研究。水平圓管外自然對流換熱實(shí)驗(yàn)，是傳熱學(xué)大綱要求的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，也是我校特色專業(yè)建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程的必做專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)，該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)對于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐應(yīng)用能力至關(guān)重要。然而，現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備使用年限太久，儀器設(shè)備老化，使用功能不全，測量誤差大，實(shí)驗(yàn)進(jìn)程長，控制系統(tǒng)易受干擾，實(shí)驗(yàn)工況不穩(wěn)定，實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果不佳，已經(jīng)難以適用當(dāng)前實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革和發(fā)展[3]?？紤]到目前學(xué)校實(shí)驗(yàn)經(jīng)費(fèi)緊張的狀況，更換全新前沿的實(shí)驗(yàn)設(shè)備成本過高[4]，本文在總結(jié)了原實(shí)驗(yàn)設(shè)備的優(yōu)缺點(diǎn)后，結(jié)合理論與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的要求，對原實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化改造，并改革了實(shí)驗(yàn) 教 學(xué)方式。

　　實(shí)驗(yàn)原理

　　根據(jù)相似理論，空氣沿水平管外表面自然對流時(shí)，一般可以得到以下指數(shù)形式的準(zhǔn)則關(guān)系式：

　　Nu =c(Gr，Pr)n

　　Nu =hD λ (2)

　　Gr =gΔtal3 ν2

　　式中：Nu 為努塞爾數(shù);Gr 為格拉曉夫數(shù);Pr為普朗特準(zhǔn)則數(shù)，是溫度的函數(shù);c和n 均為常數(shù);λ為空氣導(dǎo)熱系數(shù);h為傳熱系數(shù);ν為運(yùn)動黏度;#為空氣的容積膨脹系數(shù)，取理想氣體的膨脹系數(shù)，#=1/(Tm +273);g是重力加速度;D 是管子外徑;Δt 是遠(yuǎn)離管壁的空氣溫度差，Δt=tw-tf，tf為空氣溫度，tw 為管外壁溫。

　　本項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的目的就是通過實(shí)驗(yàn)測試確定常數(shù)c和n。在準(zhǔn)則式中，空氣的導(dǎo)熱系數(shù)$，運(yùn)動黏度ν，以及普朗特準(zhǔn)則數(shù) Pr 可以根據(jù)實(shí)驗(yàn)管壁面溫度tw和環(huán)境空氣溫度tf的平均值tm查閱手冊內(nèi)插得到。

　　本實(shí)驗(yàn)的關(guān)鍵是對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h 的確定。對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)h的定義：h=Qa/(FΔt)，Qa 為水平管外表面與周圍空氣之間的對流換熱量，F(xiàn)水平管的外表面積，F(xiàn)=%DL，L 為水平管的有效長度。在氣體中的對流換熱，不可避免地會伴隨有換熱壁面與周圍環(huán)境的輻射換熱，因此，管的實(shí)際傳出熱量Q 為對流換熱和輻射換熱量之和：

　　Q =Qa +Qr =hF(tw -tf)+

　　&C0F(T4w -T4f)×10-8 (4)式中，Qr 為輻射熱量，&為實(shí)驗(yàn)管外表面的黑度，C0 為黑體輻射系數(shù)，C0=5.67 W/m2·K4。這里假定了環(huán)境溫度即空氣溫度。水平管外表面對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)就可以由下式確定：

　　h= [Q/F- &C0(T4w -T4f)×10-8]/(tw -tf)(5)

　　要確定式(1)中的c和n，還需要測量的 Nu-GrPr數(shù)據(jù)足夠多，GrPr 變化范圍足夠大。這就要求測量出不同范圍內(nèi)足夠度的數(shù)據(jù)，進(jìn)而才能更好地利用相似原理[5]處理數(shù)據(jù)，得到準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式。

　　2 設(shè)備優(yōu)化改造

　　2.1 設(shè)備改造背景

　　現(xiàn)有的水平圓管外自然對流換熱實(shí)驗(yàn)設(shè)備，該設(shè)備是由單一的電路控制箱進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)節(jié)，每次實(shí)驗(yàn)只能對一個(gè)水平管進(jìn)行電壓控制，無法實(shí)現(xiàn)多個(gè)水平圓管的同時(shí)測試。另外，由于實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)有限，學(xué)生無法在有限的時(shí)間內(nèi)測得足夠多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而擬合準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式時(shí)需要多個(gè)相似現(xiàn)象下的實(shí)驗(yàn)參數(shù)，數(shù)據(jù)要足夠多，擬合才越準(zhǔn)確;而且，當(dāng)被加熱的水平管的熱量到達(dá)控制箱設(shè)定的溫度時(shí)，加熱一般會停止，實(shí)驗(yàn)工況無法達(dá)到恒定，水平管溫度也不穩(wěn)定，不利于實(shí)驗(yàn)穩(wěn)定工況下的數(shù)據(jù)采集。

　　此外，現(xiàn)有設(shè)備直接顯示讀數(shù)，學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中只是機(jī)械地進(jìn)行觀察記錄，無法對實(shí)驗(yàn)原理得到深刻的理解和掌握。實(shí)驗(yàn)也多為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)，不利于學(xué)生綜合實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[6]。

　　2.2 設(shè)備改造的目標(biāo)

　　基于上述原有實(shí)驗(yàn)中的不足和缺陷，對原有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備進(jìn)行了優(yōu)化改造，保留原設(shè)備中不影響實(shí)驗(yàn)效果的部分，按照科學(xué)合理、安全實(shí)用、經(jīng)濟(jì)節(jié)約、綜合性強(qiáng)、手動操作與自動控制并存的設(shè)計(jì)思想和原則[3]對原有設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化改造，使實(shí)驗(yàn)條件提升、實(shí)驗(yàn)工況穩(wěn)定，并將原來的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)改革為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性，并建立有效的激勵(lì)機(jī)制，調(diào)動學(xué)生的自主性和積極性[7]。

　　2.3 優(yōu)化改造后設(shè)備簡介

　　優(yōu)化改造后的設(shè)備主要由以下部分組成：

　　(1)實(shí)驗(yàn)本體系統(tǒng)。本體為水平圓管一套，放置在封閉的大空間玻璃房內(nèi)，水平圓管對應(yīng)管徑分別為80、60、40、20mm，實(shí)驗(yàn)管段構(gòu)造如圖1所示;實(shí)驗(yàn)管內(nèi)裝有電加熱器，兩端有絕熱蓋，計(jì)算中可略去軸向熱損失。實(shí)驗(yàn)管上有熱電偶嵌入管壁，使用電位差計(jì)測量管壁熱電勢，從而計(jì)算管壁外表面溫度。

　　(2)獨(dú)立的電加熱測量系統(tǒng)。為獲得穩(wěn)定的加熱功率，各實(shí)驗(yàn)管采用直流穩(wěn)壓電源加熱，一套設(shè)備中4種不同直徑的實(shí)驗(yàn)管段各自分別連接相互獨(dú)立的電加熱測量系統(tǒng)。為了保持加熱穩(wěn)定，每個(gè)獨(dú)立的電加熱系統(tǒng)各自配備調(diào)壓器穩(wěn)定輸入電壓，并各自配備獨(dú)立的功率表。實(shí)驗(yàn)時(shí)，一套設(shè)備可在4個(gè)不同的加熱功率下同時(shí)開展，并且互不干擾，工況穩(wěn)定，保證了后續(xù)測量的準(zhǔn)確性。獨(dú)立控制參數(shù)，避免了儀器誤差，實(shí)現(xiàn)了精準(zhǔn)控制[8]。

　　(3)溫度測量及其數(shù)顯系統(tǒng)。溫度的測量包括實(shí)驗(yàn)管周圍空氣溫度和實(shí)驗(yàn)管壁面溫度?？諝鉁囟葴y點(diǎn)位于離實(shí)驗(yàn)管 1 m 左右下方，使用半導(dǎo)體溫度計(jì)測量，溫度直接顯示在測量室的儀表上。

　　實(shí)驗(yàn)圓管 上 共 設(shè) 置 多 個(gè) 溫 度 傳 感 器 焊 點(diǎn)，考 慮到電加熱管可能存在加熱不均勻或偏心等情況，焊點(diǎn)分別在軸向等距分布，同時(shí)在圓周方向等角度分布，實(shí)驗(yàn)管壁 面 溫 度 取 自 壁 面 不 同 部 位 溫 度 的 平 均值，每個(gè)實(shí)驗(yàn)管根據(jù)長短不同，布置有不同數(shù)目的銅-康銅測溫?zé)犭娕?。測量表面溫度的感溫元件的引線均接入控制 箱，通 過 數(shù) 字 式 顯 示 儀 表 直 接 顯 示 出 溫度值。優(yōu)化改造后的實(shí)驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)示意圖見圖2。

　　3 改革現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式

　　教學(xué)方式從傳統(tǒng)的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)改革為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，學(xué)生根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理以及改造后的實(shí)驗(yàn)條件，獨(dú)立設(shè)計(jì)自己的實(shí)驗(yàn)方案以及實(shí)驗(yàn)操作步驟;進(jìn)入實(shí)驗(yàn)室后，在實(shí)驗(yàn)教師的講解和指導(dǎo)下，熟悉實(shí)驗(yàn)中所用的設(shè)備，然后按照自己設(shè)計(jì)好的方案，進(jìn)行獨(dú)立實(shí)驗(yàn)。

　　優(yōu)化改 造 后 的 實(shí) 驗(yàn) 設(shè) 備，每 套 可 以 同 時(shí) 實(shí) 現(xiàn) 4個(gè)不同的加 熱 功 率 下 的 實(shí) 驗(yàn) 工 況，每 個(gè) 加 熱 功 率 下持續(xù)加 熱 6h(實(shí) 驗(yàn) 開 始 前 有 實(shí) 驗(yàn) 教 師 提 前 加 熱)。因此，在 每 一 次 實(shí) 驗(yàn) 測 試 工 況 下，學(xué) 生 可 以 分 成 小組，在多套設(shè)備下同時(shí)獨(dú)立進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試，手動測量與數(shù)顯測 量 兩 種 方 式 并 存[9]。實(shí) 驗(yàn) 現(xiàn) 象 相 似，各 組學(xué)生通過設(shè)定不同的加熱量即可得到多個(gè)穩(wěn)定的實(shí)驗(yàn)工況，可以采集到更多的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的處理以及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的獲得。優(yōu)化改造后，學(xué)生在2學(xué)時(shí)內(nèi)就可 以 完 成 實(shí) 驗(yàn) 要 求 的 所 有 內(nèi) 容，相 比 傳 統(tǒng)的教學(xué)方式，既按規(guī)定完成了實(shí)驗(yàn)測試，又提高了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果。

　　4 優(yōu)化改造后設(shè)備在實(shí)驗(yàn)教學(xué)實(shí)踐中的優(yōu)勢

　　(1)設(shè)備改造后，在大綱要求的時(shí)間內(nèi)，通過學(xué)生的多組測試，數(shù)據(jù)采集量大，為使用相似原理處理數(shù)據(jù)提供了準(zhǔn)確而足夠的數(shù)量來源，保證了實(shí)驗(yàn)測試的穩(wěn)定性，利于準(zhǔn)則關(guān)聯(lián)式的擬合。

　　(2)學(xué)生在改造后的實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件下，可將驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)性質(zhì)改為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)，更加有利于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐動手能力和創(chuàng)新能力。設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)?zāi)苡行岣邔W(xué)生的參與度，充分發(fā)揮了為生的主體性和積極性，更加有利于實(shí)驗(yàn)教學(xué)的改革與發(fā)展[10]，

　　(3)設(shè)備優(yōu)化改造后，加入手動調(diào)節(jié)操作，增強(qiáng)學(xué)生的參與感，加深理解記憶，并實(shí)現(xiàn)了控制方式的多樣化。這種從實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)到實(shí)際動手操作，全程體驗(yàn)式的教學(xué)方式[11]更容易被學(xué)生記住，提升了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的效果，有利于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

　　(4)優(yōu)化改造的實(shí)驗(yàn)設(shè)備中，將所使用的儀表設(shè)計(jì)為可安裝拆卸式，當(dāng)前實(shí)驗(yàn)使用完之后，儀表也可以用于其他實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源靈活配置，提高了設(shè)備利用率[12]。

　　(5)優(yōu)化改造充分發(fā)揮了儀器設(shè)備的潛能，使設(shè)備在一定程度上增加了使用價(jià)值[4]，延長其使用年限。

　　5 結(jié)語

　　實(shí)驗(yàn)技術(shù)人員對實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)備進(jìn)行優(yōu)化改造，既有效解決了現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)教學(xué)條件的種種問題，避免了設(shè)備整體更替的高成本，又實(shí)現(xiàn)了教學(xué)方式從傳統(tǒng)驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)向綜合設(shè)計(jì)型實(shí)驗(yàn)的轉(zhuǎn)變。設(shè)備優(yōu)化改造后體現(xiàn)出了多方面的優(yōu)勢，學(xué)生興趣濃厚，取得了良好的教學(xué)效果。

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