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摘要：本文提出一套可進(jìn)行多項教學(xué)實驗的“多功能熱濕耦合特性實驗臺”，適用于能源與動力工程類、制冷與低溫工程專業(yè)學(xué)生的教學(xué)課程。實驗內(nèi)容由淺入深，包括空氣溫濕度采樣系統(tǒng)與空氣流量測量、焓差室的基本構(gòu)成與運行原理、熱濕耦合環(huán)境中的等效導(dǎo)熱系數(shù)測量、電滲除濕技術(shù)的基本原理與特性分析。該實驗課程結(jié)合地方特色及本專業(yè)熱點問題，與實際應(yīng)用緊密聯(lián)系，豐富能源動力類與制冷專業(yè)學(xué)生的認(rèn)識實習(xí)和專業(yè)實驗內(nèi)容，提升學(xué)生對實驗課程的興趣。

關(guān)鍵詞：熱濕耦合傳遞；焓差室；多功能；實驗課程

1背景

1.1熱工測量中對熱濕耦合過程的忽視

傳熱傳質(zhì)過程是熱科學(xué)領(lǐng)域非常重要的理論基礎(chǔ)。在傳熱學(xué)的本科教學(xué)工作中，材料導(dǎo)熱系數(shù)的測定幾乎是所有學(xué)校都會安排的基礎(chǔ)教學(xué)實驗，如采用穩(wěn)態(tài)法平板導(dǎo)熱儀器或非穩(wěn)態(tài)的熱線法。[1]在制冷空調(diào)領(lǐng)域，所需測定的材料通常為內(nèi)部含有豐富空隙的多孔材料，濕分可通過多孔材料的內(nèi)部空隙進(jìn)行傳遞和遷移，對傳熱過程帶來重要影響。材料濕工況下導(dǎo)熱性能的測量精度與受潮樣本的準(zhǔn)備方法有很大關(guān)系。常用的樣本準(zhǔn)備方法有浸沒法、注射法、環(huán)境加濕法。[2]由于邊界條件上的差異，以上方法均不能有效模擬實際工況下液相的分布形態(tài)。熱濕環(huán)境中的等效導(dǎo)熱系數(shù)的測量方法應(yīng)在傳統(tǒng)導(dǎo)熱系數(shù)的測量過程中模擬系統(tǒng)濕分的變化規(guī)律，從而為實際設(shè)計提供更為可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

1.2焓差實驗室的“黑箱”操作

空調(diào)器的設(shè)計是制冷空調(diào)方向教學(xué)的重要內(nèi)容，其制冷制熱性能的檢測方法也有必要在實驗教學(xué)中引入。空調(diào)器的檢測方法主要有空氣焓差法和房間型量熱器法。焓差實驗室是制冷空調(diào)企業(yè)中最為常見的一種空調(diào)器性能檢測工具，在各大高校的相關(guān)專業(yè)中也廣泛存在。但是，大部分實驗教學(xué)僅僅側(cè)重于對焓差室的應(yīng)用，即讓學(xué)生測量計算風(fēng)側(cè)參數(shù)而對空調(diào)器的制冷/制熱量進(jìn)行計算，忽略了焓差室本身的結(jié)構(gòu)特點、設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)以及運行原理。高校里的焓差實驗室也基本采用外包方式，以成品引入，對焓差室的重要部分――空氣處理室進(jìn)行封裝。這種焓差實驗室的教學(xué)工作類似于“黑箱”操作，學(xué)生看不到內(nèi)部結(jié)構(gòu)，較難理解焓差實驗室的運行原理，這對高成本的焓差實驗室的引入未免有大材小用的效果。同時，焓差室的高運行成本也導(dǎo)致實驗教學(xué)中少開機、甚至不開機的現(xiàn)象。

1.3濕度控制在制冷空調(diào)領(lǐng)域的重要性

除濕是濕熱地區(qū)的制冷空調(diào)系統(tǒng)中所需解決的重要問題。目前制冷空調(diào)用除濕方式主要是表面冷卻除濕技術(shù)，導(dǎo)致送風(fēng)溫度偏低，增大空調(diào)能耗且降低室內(nèi)舒適度。為克服其缺點，固體吸附、溶液吸收、電滲等除濕技術(shù)被相繼提出。固體吸附及溶液吸收式除濕技術(shù)均需對媒介進(jìn)行再生，而再生系統(tǒng)會提升空氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)的復(fù)雜度和空間占用。而電滲除濕不涉及再生，僅需要加裝低壓電路控制系統(tǒng)就可實現(xiàn)濕度調(diào)節(jié)，體積小且控制精度高。目前電滲除濕技術(shù)在保持地下建筑的墻體干燥方面已有應(yīng)用，但在地上空間并承擔(dān)房間內(nèi)濕負(fù)荷方面的應(yīng)用尚不多見。對電滲除濕原理的了解和掌握有助于制冷空調(diào)節(jié)能技術(shù)的設(shè)計和開發(fā)，推進(jìn)溫濕度獨立控制技術(shù)的發(fā)展。

1.4實驗技術(shù)發(fā)展趨勢

本科實驗中，需開展一些能結(jié)合地方特色及專業(yè)熱點、前沿問題的實習(xí)或?qū)嶒烅椖浚訌娊虒W(xué)實驗與實際應(yīng)用的聯(lián)系，提升學(xué)生對實驗課程的興趣，在幫助學(xué)生鞏固基礎(chǔ)知識、掌握基本技能的同時，實現(xiàn)對創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。本文提出的多功能熱濕耦合特性實驗臺，兼顧傳熱傳質(zhì)過程，可一定程度上解決焓差實驗室的“黑箱”操作及運行費用高的缺陷，同時具有很強的擴展性。

2多功能熱濕耦合特性實驗臺的研制

自主研制的“多功能熱濕耦合特性實驗臺”主要包括冷熱箱-電滲測試平臺和可視化監(jiān)控系統(tǒng)，可實現(xiàn)以下教學(xué)功能：（1）空氣溫濕度采樣系統(tǒng)與空氣流量測量；（2）焓差室的基本構(gòu)成與運行原理；（3）熱濕耦合環(huán)境中的等效導(dǎo)熱系數(shù)測量；（4）電滲除濕技術(shù)的基本原理與特性分析。

2.1冷熱箱-電滲測試平臺

為解決傳統(tǒng)焓差實驗室的“黑箱”操作，并解決其運行成本高的問題，本實驗裝置參照焓差實驗室的結(jié)構(gòu)形式，自行設(shè)計制冷量在1-2kW的微型冷熱箱實驗臺，冷箱模擬焓差實驗室的室外室，熱箱模擬室內(nèi)室，空氣處理室外側(cè)采用透明設(shè)計，便于運行時的觀測。依照焓差室測試標(biāo)準(zhǔn)，運用空氣取樣器測量空氣側(cè)干、濕球溫度，運用噴嘴測量風(fēng)量。在等效導(dǎo)熱系數(shù)測量方面，改進(jìn)干工況條件下的穩(wěn)態(tài)測量方法――防護(hù)熱箱法，構(gòu)建具有一定濕度梯度的冷熱箱等效導(dǎo)熱系數(shù)測量裝置。通過控制測試材料兩側(cè)的環(huán)境情況，如溫度、濕度、風(fēng)速等，測定熱濕耦合條件下材料的等效導(dǎo)熱系數(shù)，測試結(jié)果更符合真實的應(yīng)用設(shè)計。冷熱箱體交界面處采用拆卸式設(shè)計，可根據(jù)測試要求選擇不同材料樣本。電滲除濕測試平臺則是在冷熱箱等效導(dǎo)熱系數(shù)測試平臺的基礎(chǔ)上，在可拆卸的冷熱箱體交界面兩側(cè)增設(shè)正、負(fù)電極及電壓測控裝置，控制冷熱箱初始溫濕度；通過持續(xù)維持一側(cè)箱體溫濕度并監(jiān)測另一箱體內(nèi)的濕度變化，實現(xiàn)對電滲熱濕耦合過程中除濕量與傳熱量的同步測量，并進(jìn)一步實現(xiàn)電壓、電極分布等參數(shù)對傳熱傳質(zhì)過程的特性分析。

2.2可視化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

冷熱箱體采用手動/自動雙重控制方式，通過LabView構(gòu)建實驗臺的監(jiān)控系統(tǒng)，[3]實現(xiàn)對冷熱箱的運行與控制情況的可視化展示。通過LabView的演示界面，既可清晰的顯示系統(tǒng)運行流程，又可對各重要參數(shù)進(jìn)行實時讀取，實驗測試數(shù)據(jù)可通過記錄界面進(jìn)行定時記錄與文本輸出。

3基于本實驗臺的開放性制冷空調(diào)實驗課程構(gòu)建

3.1增設(shè)“校內(nèi)實習(xí)-制冷”課程項目

可增加的認(rèn)識實習(xí)（制冷部分）項目包括：焓差實驗室的基本原理與構(gòu)成；防護(hù)熱箱法導(dǎo)熱系數(shù)測量的基本原理與構(gòu)成。

3.2增設(shè)“制冷低溫實驗”課程項目

目前專業(yè)實驗中缺乏與空調(diào)器性能檢測標(biāo)準(zhǔn)和方法相關(guān)的教學(xué)工作，本項目可在此方面進(jìn)行補充，增設(shè)不同難度等級的制冷空調(diào)專業(yè)實驗項目：模擬空氣焓差法的空調(diào)性能測試（初級）、熱濕耦合過程中的等效導(dǎo)熱系數(shù)測量（中級）、電滲除濕特性分析（高級）。

4課程創(chuàng)新點

4.1傳統(tǒng)教學(xué)實驗項目的低成本運行與可視化監(jiān)測

所設(shè)計的冷熱箱實驗臺可一定程度上模擬傳統(tǒng)焓差室，降低運行成本；在空氣處理室采用透明面板設(shè)計，消除“黑箱”操作，加強教學(xué)過程中的可觀察性，系統(tǒng)運行流程與狀態(tài)可通過Labview界面進(jìn)行監(jiān)測與記錄。

4.2擴展性項目與傳統(tǒng)實驗教學(xué)項目的融合

將焓差室技術(shù)、防護(hù)熱箱導(dǎo)熱系數(shù)測試技術(shù)以及電滲除濕技術(shù)進(jìn)行融合與改進(jìn)，在同一套教學(xué)實驗平臺上實現(xiàn)不同的測試功能，一機多用。實驗臺集平臺型、靈活性、精確性、真實性、低能耗性于一身，充分考慮地方特色和專業(yè)發(fā)展前沿，豐富制冷與低溫工程專業(yè)本科實習(xí)與實驗的教學(xué)內(nèi)容，實現(xiàn)由淺入深、由傳統(tǒng)到新型測試方法的教學(xué)過程。

5總結(jié)

本文提出一套與地方特色相結(jié)合的“多功能熱濕耦合特性實驗臺”，可由淺入深地進(jìn)行多項教學(xué)實驗，包括空氣溫濕度采樣系統(tǒng)與空氣流量測量、焓差室的基本構(gòu)成與運行原理、熱濕耦合環(huán)境中的等效導(dǎo)熱系數(shù)測量、電滲除濕技術(shù)的基本原理與特性分析。自主研制的教學(xué)裝置和改進(jìn)后的教學(xué)內(nèi)容充分結(jié)合地方特色及專業(yè)熱點問題，與實際應(yīng)用緊密聯(lián)系，豐富能源動力類與制冷專業(yè)學(xué)生的認(rèn)識實習(xí)和專業(yè)實驗內(nèi)容，提升學(xué)生對實驗課程的興趣，輔助專業(yè)主干課程“空氣調(diào)節(jié)”、“制冷原理與裝置自動化”、“制冷與低溫應(yīng)用技術(shù)”的教學(xué)工作。

參考文獻(xiàn)

[1]陳冬雨,胡艷清,李軼,張敏,李金洋.熱工實驗教學(xué)的實驗與思考[J].高等農(nóng)業(yè)教育,2011(7):58-59.

[3]紹偉恒,吳上泉,邵鄂.基于Labview的焓差室監(jiān)控軟件設(shè)計[J].環(huán)境試驗設(shè)備,2016(6):63-66.

作者:蔡姍姍 郭海金 房東旭 汪雪棚 單位:華中科技大學(xué)能源與動力工程學(xué)院