熱濕耦合特性的制冷空調課程建設范文

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摘要：本文提出一套可進行多項教學實驗的“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學生的教學課程。實驗內容由淺入深，包括空氣溫濕度采樣系統與空氣流量測量、焓差室的基本構成與運行原理、熱濕耦合環境中的等效導熱系數測量、電滲除濕技術的基本原理與特性分析。該實驗課程結合地方特色及本專業熱點問題，與實際應用緊密聯系，豐富能源動力類與制冷專業學生的認識實習和專業實驗內容，提升學生對實驗課程的興趣。

關鍵詞：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

傳熱傳質過程是熱科學領域非常重要的理論基礎。在傳熱學的本科教學工作中，材料導熱系數的測定幾乎是所有學校都會安排的基礎教學實驗，如采用穩態法平板導熱儀器或非穩態的熱線法。[1]在制冷空調領域，所需測定的材料通常為內部含有豐富空隙的多孔材料，濕分可通過多孔材料的內部空隙進行傳遞和遷移，對傳熱過程帶來重要影響。材料濕工況下導熱性能的測量精度與受潮樣本的準備方法有很大關系。常用的樣本準備方法有浸沒法、注射法、環境加濕法。[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。熱濕環境中的等效導熱系數的測量方法應在傳統導熱系數的測量過程中模擬系統濕分的變化規律，從而為實際設計提供更為可靠的數據基礎。

1.2焓差實驗室的“黑箱”操作

空調器的設計是制冷空調方向教學的重要內容，其制冷制熱性能的檢測方法也有必要在實驗教學中引入。空調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企業中最為常見的一種空調器性能檢測工具，在各大高校的相關專業中也廣泛存在。但是，大部分實驗教學僅僅側重于對焓差室的應用，即讓學生測量計算風側參數而對空調器的制冷/制熱量進行計算，忽略了焓差室本身的結構特點、設計標準以及運行原理。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――空氣處理室進行封裝。這種焓差實驗室的教學工作類似于“黑箱”操作，學生看不到內部結構，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致實驗教學中少開機、甚至不開機的現象。

1.3濕度控制在制冷空調領域的重要性

除濕是濕熱地區的制冷空調系統中所需解決的重要問題。目前制冷空調用除濕方式主要是表面冷卻除濕技術，導致送風溫度偏低，增大空調能耗且降低室內舒適度。為克服其缺點，固體吸附、溶液吸收、電滲等除濕技術被相繼提出。固體吸附及溶液吸收式除濕技術均需對媒介進行再生，而再生系統會提升空氣調節系統的復雜度和空間占用。而電滲除濕不涉及再生，僅需要加裝低壓電路控制系統就可實現濕度調節，體積小且控制精度高。目前電滲除濕技術在保持地下建筑的墻體干燥方面已有應用，但在地上空間并承擔房間內濕負荷方面的應用尚不多見。對電滲除濕原理的了解和掌握有助于制冷空調節能技術的設計和開發，推進溫濕度獨立控制技術的發展。

1.4實驗技術發展趨勢

本科實驗中，需開展一些能結合地方特色及專業熱點、前沿問題的實習或實驗項目，加強教學實驗與實際應用的聯系，提升學生對實驗課程的興趣，在幫助學生鞏固基礎知識、掌握基本技能的同時，實現對創新型人才的培養。本文提出的多功能熱濕耦合特性實驗臺，兼顧傳熱傳質過程，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控系統，可實現以下教學功能：（1）空氣溫濕度采樣系統與空氣流量測量；（2）焓差室的基本構成與運行原理；（3）熱濕耦合環境中的等效導熱系數測量；（4）電滲除濕技術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構形式，自行設計制冷量在1-2kW的微型冷熱箱實驗臺，冷箱模擬焓差實驗室的室外室，熱箱模擬室內室，空氣處理室外側采用透明設計，便于運行時的觀測。依照焓差室測試標準，運用空氣取樣器測量空氣側干、濕球溫度，運用噴嘴測量風量。在等效導熱系數測量方面，改進干工況條件下的穩態測量方法――防護熱箱法，構建具有一定濕度梯度的冷熱箱等效導熱系數測量裝置。通過控制測試材料兩側的環境情況，如溫度、濕度、風速等，測定熱濕耦合條件下材料的等效導熱系數，測試結果更符合真實的應用設計。冷熱箱體交界面處采用拆卸式設計，可根據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熱系數測試平臺的基礎上，在可拆卸的冷熱箱體交界面兩側增設正、負電極及電壓測控裝置，控制冷熱箱初始溫濕度；通過持續維持一側箱體溫濕度并監測另一箱體內的濕度變化，實現對電滲熱濕耦合過程中除濕量與傳熱量的同步測量，并進一步實現電壓、電極分布等參數對傳熱傳質過程的特性分析。

2.2可視化監控系統設計

冷熱箱體采用手動/自動雙重控制方式，通過LabView構建實驗臺的監控系統，[3]實現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運行流程，又可對各重要參數進行實時讀取，實驗測試數據可通過記錄界面進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實驗課程構建

3.1增設“校內實習-制冷”課程項目

可增加的認識實習（制冷部分）項目包括：焓差實驗室的基本原理與構成；防護熱箱法導熱系數測量的基本原理與構成。

3.2增設“制冷低溫實驗”課程項目

目前專業實驗中缺乏與空調器性能檢測標準和方法相關的教學工作，本項目可在此方面進行補充，增設不同難度等級的制冷空調專業實驗項目：模擬空氣焓差法的空調性能測試（初級）、熱濕耦合過程中的等效導熱系數測量（中級）、電滲除濕特性分析（高級）。

4課程創新點

4.1傳統教學實驗項目的低成本運行與可視化監測

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

4.2擴展性項目與傳統實驗教學項目的融合

將焓差室技術、防護熱箱導熱系數測試技術以及電滲除濕技術進行融合與改進，在同一套教學實驗平臺上實現不同的測試功能，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發展前沿，豐富制冷與低溫工程專業本科實習與實驗的教學內容，實現由淺入深、由傳統到新型測試方法的教學過程。

5總結

本文提出一套與地方特色相結合的“多功能熱濕耦合特性實驗臺”，可由淺入深地進行多項教學實驗，包括空氣溫濕度采樣系統與空氣流量測量、焓差室的基本構成與運行原理、熱濕耦合環境中的等效導熱系數測量、電滲除濕技術的基本原理與特性分析。自主研制的教學裝置和改進后的教學內容充分結合地方特色及專業熱點問題，與實際應用緊密聯系，豐富能源動力類與制冷專業學生的認識實習和專業實驗內容，提升學生對實驗課程的興趣，輔助專業主干課程“空氣調節”、“制冷原理與裝置自動化”、“制冷與低溫應用技術”的教學工作。

參考文獻

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

[3]紹偉恒,吳上泉,邵鄂.基于Labview的焓差室監控軟件設計[J].環境試驗設備,2016(6):63-66.

作者:蔡姍姍 郭海金 房東旭 汪雪棚 單位:華中科技大學能源與動力工程學院