自然對流換熱實驗設備優(yōu)化改造及教學改革

胡 靜, 劉雅琳, 嚴雙志

(西安建筑科技大學 環(huán)境與市政工程學院 國家級環(huán)境類專業(yè)實驗教學示范中心, 陜西 西安 710055)

大空間內水平圓管外表面的自然對流換熱是日常生活與工業(yè)生產中普遍存在的現(xiàn)象, 國內外學者[1-2]針對這一問題進行了大量的實驗研究和數值模擬研究。水平圓管外自然對流換熱實驗,是傳熱學大綱要求的實驗項目,也是我校特色專業(yè)建筑環(huán)境與能源應用工程的必做專業(yè)基礎實驗,該項實驗對于培養(yǎng)學生的實踐應用能力至關重要。然而,現(xiàn)有的實驗設備使用年限太久,儀器設備老化,使用功能不全,測量誤差大,實驗進程長,控制系統(tǒng)易受干擾,實驗工況不穩(wěn)定,實驗教學效果不佳,已經難以適用當前實驗教學的改革和發(fā)展[3]?？紤]到目前學校實驗經費緊張的狀況,更換全新前沿的實驗設備成本過高[4],本文在總結了原實驗設備的優(yōu)缺點后,結合理論與實驗教學的要求,對原實驗設備進行了優(yōu)化改造,并改革了實驗教學方式。

1 實驗原理

根據相似理論,空氣沿水平管外表面自然對流時,一般可以得到以下指數形式的準則關系式：

Nu=c(Gr,Pr)n

(1)

(2)

(3)

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

本項實驗的目的就是通過實驗測試確定常數c和n。在準則式中, 空氣的導熱系數, 運動黏度ν,以及普朗特準則數Pr可以根據實驗管壁面溫度tw和環(huán)境空氣溫度tf的平均值tm查閱手冊內插得到。

本實驗的關鍵是對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂礹的確定。對流換熱表面?zhèn)鳠嵯禂礹的定義：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)+

(4)

式中,Qr為輻射熱量，為實驗管外表面的黑度,C0為黑體輻射系數，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)鳠嵯禂稻涂梢杂上率酱_定：

h=[Q/F-

(5)

要確定式(1)中的c和n,還需要測量的Nu-GrPr數據足夠多,GrPr變化范圍足夠大。這就要求測量出不同范圍內足夠度的數據,進而才能更好地利用相似原理[5]處理數據,得到準則關聯(lián)式。

2 設備優(yōu)化改造

2.1 設備改造背景

現(xiàn)有的水平圓管外自然對流換熱實驗設備,該設備是由單一的電路控制箱進行統(tǒng)一調節(jié),每次實驗只能對一個水平管進行電壓控制,無法實現(xiàn)多個水平圓管的同時測試。另外，由于實驗學時有限,學生無法在有限的時間內測得足夠多的實驗數據，而擬合準則關聯(lián)式時需要多個相似現(xiàn)象下的實驗參數,數據要足夠多,擬合才越準確；而且，當被加熱的水平管的熱量到達控制箱設定的溫度時,加熱一般會停止,實驗工況無法達到恒定,水平管溫度也不穩(wěn)定,不利于實驗穩(wěn)定工況下的數據采集。

此外,現(xiàn)有設備直接顯示讀數,學生在實驗過程中只是機械地進行觀察記錄,無法對實驗原理得到深刻的理解和掌握。實驗也多為驗證性實驗,不利于學生綜合實踐能力和創(chuàng)新能力的培養(yǎng)[6]。

2.2 設備改造的目標

基于上述原有實驗中的不足和缺陷,對原有的實驗設備進行了優(yōu)化改造,保留原設備中不影響實驗效果的部分,按照科學合理、安全實用、經濟節(jié)約、綜合性強、手動操作與自動控制并存的設計思想和原則[3]對原有設備進行優(yōu)化改造，使實驗條件提升、實驗工況穩(wěn)定,并將原來的驗證性實驗改革為設計性實驗,激發(fā)學生參與實驗的積極性,并建立有效的激勵機制,調動學生的自主性和積極性[7]。

2.3 優(yōu)化改造后設備簡介

優(yōu)化改造后的設備主要由以下部分組成：

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

圖1 實驗管段構造示意圖

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

(3) 溫度測量及其數顯系統(tǒng)。溫度的測量包括實驗管周圍空氣溫度和實驗管壁面溫度?？諝鉁囟葴y點位于離實驗管1 m左右下方,使用半導體溫度計測量,溫度直接顯示在測量室的儀表上。

實驗圓管上共設置多個溫度傳感器焊點,考慮到電加熱管可能存在加熱不均勻或偏心等情況, 焊點分別在軸向等距分布, 同時在圓周方向等角度分布,實驗管壁面溫度取自壁面不同部位溫度的平均值,每個實驗管根據長短不同,布置有不同數目的銅-康銅測溫熱電偶。測量表面溫度的感溫元件的引線均接入控制箱,通過數字式顯示儀表直接顯示出溫度值。

優(yōu)化改造后的實驗設備系統(tǒng)示意圖見圖2。

圖2 優(yōu)化改造后實驗設備系統(tǒng)示意圖

3 改革現(xiàn)有實驗教學方式

教學方式從傳統(tǒng)的驗證性實驗改革為設計性實驗，學生根據實驗原理以及改造后的實驗條件,獨立設計自己的實驗方案以及實驗操作步驟；進入實驗室后,在實驗教師的講解和指導下,熟悉實驗中所用的設備,然后按照自己設計好的方案,進行獨立實驗。

優(yōu)化改造后的實驗設備,每套可以同時實現(xiàn)4個不同的加熱功率下的實驗工況,每個加熱功率下持續(xù)加熱6 h(實驗開始前有實驗教師提前加熱)。因此,在每一次實驗測試工況下,學生可以分成小組，在多套設備下同時獨立進行實驗測試,手動測量與數顯測量兩種方式并存[9]。實驗現(xiàn)象相似,各組學生通過設定不同的加熱量即可得到多個穩(wěn)定的實驗工況,可以采集到更多的實驗數據,利于實驗數據的處理以及實驗結果的獲得。優(yōu)化改造后,學生在2學時內就可以完成實驗要求的所有內容,相比傳統(tǒng)的教學方式,既按規(guī)定完成了實驗測試,又提高了實驗教學的效果。

4 優(yōu)化改造后設備在實驗教學實踐中的優(yōu)勢

(1) 設備改造后,在大綱要求的時間內,通過學生的多組測試,數據采集量大,為使用相似原理處理數據提供了準確而足夠的數量來源,保證了實驗測試的穩(wěn)定性,利于準則關聯(lián)式的擬合。

(2) 學生在改造后的實驗設備條件下,可將驗證性實驗性質改為設計性實驗,更加有利于培養(yǎng)學生實踐動手能力和創(chuàng)新能力。設計性實驗能有效提高學生的參與度, 充分發(fā)揮了為生的主體性和積極性,更加有利于實驗教學的改革與發(fā)展[10],

(3) 設備優(yōu)化改造后,加入手動調節(jié)操作,增強學生的參與感,加深理解記憶,并實現(xiàn)了控制方式的多樣化。這種從實驗方案設計到實際動手操作,全程體驗式的教學方式[11]更容易被學生記住,提升了實驗教學的效果,有利于創(chuàng)新人才的培養(yǎng)。

(4) 優(yōu)化改造的實驗設備中,將所使用的儀表設計為可安裝拆卸式,當前實驗使用完之后,儀表也可以用于其他實驗項目,實現(xiàn)了實驗教學資源靈活配置,提高了設備利用率[12]。

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

5 結語

實驗技術人員對實驗教學設備進行優(yōu)化改造,既有效解決了現(xiàn)有實驗教學條件的種種問題,避免了設備整體更替的高成本,又實現(xiàn)了教學方式從傳統(tǒng)驗證性實驗向綜合設計型實驗的轉變。設備優(yōu)化改造后體現(xiàn)出了多方面的優(yōu)勢,學生興趣濃厚,取得了良好的教學效果。