化工原理實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)方法探討

吳彩金, 楊 勇, 胡 濤

(淮陰工學(xué)院 生命科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院, 江蘇 淮安 223003)

化工原理實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)方法探討

吳彩金, 楊 勇, 胡 濤

(淮陰工學(xué)院 生命科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院, 江蘇 淮安 223003)

針對(duì)學(xué)生不重視實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí),不懂如何預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn),造成實(shí)驗(yàn)效果差的現(xiàn)狀,以化工原理實(shí)驗(yàn)中“對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定”為例,探討了以設(shè)計(jì)者身份進(jìn)行實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的方法,達(dá)到在做實(shí)驗(yàn)前對(duì)實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象預(yù)判有清楚的理解與認(rèn)識(shí),從而大大提高實(shí)驗(yàn)效果,增強(qiáng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力。

實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)； 方法探討； 化工原理實(shí)驗(yàn)

為適應(yīng)新時(shí)代對(duì)化工綜合人才、高素質(zhì)人才的需求,高等院校加大了實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)投入,增強(qiáng)了對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究與探討,提出了幫助學(xué)生建立工程概念[1-4]、“開放式教學(xué)”、開發(fā)多層次實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容滿足不同層次學(xué)生的學(xué)習(xí)需求[5-8],并引入仿真技術(shù)來增強(qiáng)教學(xué)效果[9-11]等多種改進(jìn)方法。然而由于學(xué)生不重視實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí),不懂如何預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn),失去了預(yù)習(xí)的意義,造成實(shí)驗(yàn)效果極差的現(xiàn)狀。

1 實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)應(yīng)達(dá)到的目標(biāo)

實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)中只有做到4點(diǎn),才能保證實(shí)驗(yàn)安全順利高效地完成:

(1) 熟悉實(shí)驗(yàn)中用到的化學(xué)試劑的物理化學(xué)性質(zhì)，尤其是有毒有害試劑的應(yīng)急處理辦法,這樣在實(shí)驗(yàn)中遇到突發(fā)事故時(shí),才能做到冷靜并及時(shí)做出正確的處理,將傷害降到最低。

(2) 理解實(shí)驗(yàn)原理,思考實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)思路，即以實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)者的身份思考實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)思路,真正鍛煉學(xué)生的分析能力、設(shè)計(jì)能力。

(3) 理解實(shí)驗(yàn)步驟的邏輯順序關(guān)系,熟悉實(shí)驗(yàn)步驟，避免做每一步實(shí)驗(yàn)都要看一眼指導(dǎo)書的現(xiàn)象,從而有更多的精力觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、分析現(xiàn)象背后的道理,提高實(shí)驗(yàn)的效果。

(4) 預(yù)判實(shí)驗(yàn)步驟中每一步操作之后的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，在實(shí)驗(yàn)中可及時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的異常,檢驗(yàn)對(duì)原理的理解程度。

2 設(shè)計(jì)者身份式預(yù)習(xí)方法示例

以化工原理實(shí)驗(yàn)“對(duì)流傳熱系數(shù)的測(cè)定”為例說明如何進(jìn)行設(shè)計(jì)者身份式預(yù)習(xí)(實(shí)驗(yàn)試劑的物化性質(zhì)預(yù)習(xí)略)。

2.1 對(duì)實(shí)驗(yàn)原理的理解

實(shí)驗(yàn)重要的是實(shí)驗(yàn)方案和實(shí)驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)。

大多數(shù)的實(shí)驗(yàn)都是測(cè)量一些參數(shù),這些參數(shù)可以分為2類:直接測(cè)量參數(shù),如溫度、壓力、流量、液位、高度等,以及不可直接測(cè)量參數(shù),即間接測(cè)量參數(shù)。

間接測(cè)量的基本思路就是找到要測(cè)量的量和可以直接測(cè)量量間的關(guān)系,將關(guān)系中可以直接測(cè)量的量測(cè)量出來后,代入關(guān)系式,計(jì)算出要測(cè)量量的值。不同的實(shí)驗(yàn)，區(qū)別只是要測(cè)量的量不同、間接測(cè)量參數(shù)和直接測(cè)量參數(shù)的關(guān)系不同而已,方法都是相同的。

而該實(shí)驗(yàn)中,要測(cè)對(duì)流傳熱系數(shù),就需要找出可直接測(cè)量量與其之間的關(guān)系。傳熱符合能量守恒關(guān)系,即有如下關(guān)系:

(1)

只要公式(1)中除對(duì)流傳熱系數(shù)外其他所有參數(shù)的數(shù)值都能得到,那么就可以通過上式計(jì)算出對(duì)流傳熱系數(shù)。其中：

V為空氣的體積流量,可以通過流量計(jì)測(cè)量；

ρ為空氣密度,Cp為空氣比熱,這2項(xiàng)可以從空氣的物性數(shù)據(jù)表中查到；

t2,t1分別為空氣的進(jìn)出口溫度,可通過熱電偶測(cè)量得到；

Ao,Ai分別為外管壁,內(nèi)管壁的換熱面積,可通過內(nèi)管尺寸計(jì)算得到；

(T-Tw)m為蒸氣與外管壁間的對(duì)數(shù)平均溫度,其計(jì)算公式為

(2)

測(cè)量出兩端蒸氣溫度T1、T2和外管壁的壁溫Tw1、Tw2代入(2)式即可。

(t-tw)m為內(nèi)管壁與空氣間的對(duì)數(shù)平均溫度,其計(jì)算公式為:

(3)

測(cè)量出兩端內(nèi)管壁的壁溫tw1、tw2代入(3)式。由于內(nèi)管為金屬管,可以近似認(rèn)為tw1=Tw1,tw2=Tw2

2.2 實(shí)驗(yàn)裝置和物系選擇的理解

選擇哪2種流體來完成實(shí)驗(yàn),如何設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置,是該部分需要思考的問題。

2.2.1 2種流體的選擇

首先,一般實(shí)驗(yàn)物系的選擇遵循安全、便宜、易得等基本原則。最便宜的2種流體就是空氣和水,也是最安全易得的。其次,還需要將其中一種加熱為熱的流體。又該如何選擇？水的熱容大,加熱容易控制,所以選擇水作為熱流體。再次,將水加熱到多少度進(jìn)行實(shí)驗(yàn)？是加熱成沒有沸騰的熱水,還是加熱為一定壓力的水蒸氣？由相律理論,一種物質(zhì)兩相存在時(shí),自由度為1,一相存在時(shí),自由度為2；自由度越少,越容易控制。所以選擇加熱到一定壓力的水蒸氣,用壓力控制儀表保證壓力平穩(wěn)。這樣,體系可以選擇水蒸氣—水換熱,以及水蒸氣—空氣換熱。

2.2.2 主體設(shè)備的選擇(以水蒸氣—空氣為例)

首先,換熱設(shè)備的選擇。換熱需要在換熱裝置中完成,常用的換熱器有套管式換熱器、列管式換熱器、板式換熱器等。由于是實(shí)驗(yàn)室設(shè)備,相對(duì)比較小,選擇簡(jiǎn)單的換熱器容易加工,成本低,所以選擇簡(jiǎn)單的套管式換熱器。其次,要將常溫的水加熱成一定壓力的蒸氣,還需要一個(gè)加熱設(shè)備,即蒸氣發(fā)生器。再次,室內(nèi)的空氣是靜止的,還需要使其流動(dòng)起來,所以需要一個(gè)風(fēng)機(jī),常見的風(fēng)機(jī)為離心式風(fēng)機(jī)。

2.2.3 主體設(shè)備的連接

將選定的3個(gè)設(shè)備用管線連接起來,并相應(yīng)安裝閥門,需要考慮2個(gè)問題:

(1) 空氣和蒸氣哪個(gè)走換熱器的內(nèi)管,哪個(gè)走管間？由于蒸氣在加熱空氣的過程中,會(huì)發(fā)生部分冷凝形成水,如果蒸氣走內(nèi)管,則換熱體系就變成空氣—水—水蒸氣的復(fù)雜體系,和要研究的冷熱2種流體換熱預(yù)期不相符,所以蒸氣要走管間,空氣走內(nèi)管。

(2) 2種流體的流動(dòng)方向如何選擇？即逆流、并流、還是錯(cuò)流？常見換熱器冷熱2股流體一般選擇逆流,可以提高換熱效率(不發(fā)生相變化)。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)尊重一般選擇。但由于本實(shí)驗(yàn)蒸氣發(fā)生相變化,其流向選擇并不能提高換熱效率。

2.2.4 其他細(xì)節(jié)的考慮

(1) 蒸氣進(jìn)入管間的方式。要使蒸氣進(jìn)入套管式換熱器管間后能均勻分布,蒸氣就不能直接從蒸氣管端流出,因?yàn)檫@樣的蒸氣將以放射狀進(jìn)入管間,分布明顯不均勻。改進(jìn)方式是將管端封閉,在伸入管間的一段蒸氣管四周開一些小孔,使蒸氣從這些小孔中流出,從而大大改善蒸氣分布的均勻性。

(2) 蒸氣進(jìn)入后發(fā)生相變化的影響。由于蒸氣與空氣換熱后會(huì)發(fā)生部分冷凝,所以在管間的下半部分應(yīng)連接冷凝水流出管,并用閥門控制開度；未冷凝的蒸氣處于管間上半部分,所以在管間的上部連接蒸氣排出管,同樣用閥門控制開度。

2.3 理解實(shí)驗(yàn)步驟

實(shí)驗(yàn)步驟的理解就是理解其邏輯順序關(guān)系。一般實(shí)驗(yàn)步驟分實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備、正式實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)后處理3個(gè)部分。

2.3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段

一般包括儀器的洗滌與調(diào)節(jié),試劑的調(diào)配等。該實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備工作有:

(1) 蒸氣的準(zhǔn)備。開蒸氣發(fā)生器涉及開進(jìn)水閥、開電源,因此存在先開哪個(gè)的邏輯判斷。為保護(hù)加熱器,先開進(jìn)水閥,后接通電源。等待蒸氣升到5.05×105Pa(5 atm),則完成了蒸氣的準(zhǔn)備。

(2) 儀表投用。打開儀表臺(tái)總電源開關(guān),將儀表開關(guān)旋轉(zhuǎn)至“開”的位置。儀表和風(fēng)機(jī)準(zhǔn)備好。

2.3.2 正式實(shí)驗(yàn)階段

該實(shí)驗(yàn)正式實(shí)驗(yàn)階段就是將空氣和蒸氣引入換熱器進(jìn)行熱交換。是先引空氣還是先引蒸氣從保護(hù)設(shè)備換熱器角度考慮,先引空氣,后引蒸氣。

(1) 引空氣。引空氣又涉及開風(fēng)機(jī)和開風(fēng)機(jī)出口閥的先后問題,由于采用的是離心式風(fēng)機(jī),為保護(hù)電機(jī),降低啟動(dòng)電流,所以應(yīng)該先開風(fēng)機(jī),即按下儀表盤中的“風(fēng)機(jī)啟動(dòng)”按鈕,然后再開出口閥門。開出口閥門,依然面臨選擇開多大的問題。同樣從保護(hù)換熱器角度考慮,應(yīng)該全開,這樣蒸氣引入后,系統(tǒng)溫度升溫緩慢,從而保護(hù)設(shè)備。

(2) 引蒸氣。蒸氣的引入則只需依次將蒸氣管路上的閥門打開,其中蒸氣發(fā)生器出口的球閥全開(球閥特點(diǎn),要么全開,要么全關(guān),不作為調(diào)節(jié)流量設(shè)備采用),進(jìn)入換熱器的閘閥，通過閥后的壓力表調(diào)節(jié)其開度，使壓力穩(wěn)定在50 kPa左右。

(3) 等待穩(wěn)定。由于關(guān)系式(1)中左右兩邊都是溫差,所以該實(shí)驗(yàn)不需要等到所有參數(shù)絕對(duì)穩(wěn)定,只需要等到空氣進(jìn)出口溫差穩(wěn)定即可。然后通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)出口閥門開度,改變空氣體積流量,再等到空氣進(jìn)出口溫差穩(wěn)定后讀數(shù)。改變實(shí)驗(yàn)條件2次,獲得3個(gè)風(fēng)速下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),則實(shí)驗(yàn)的主體部分完成

2.3.3 實(shí)驗(yàn)后處理階段(即停裝置)

一般來說,停裝置的順序是和開裝置順序相反。本實(shí)驗(yàn)符合一般情況,即先停蒸氣，后?？諝?之后關(guān)蒸氣發(fā)生器,關(guān)儀表電,關(guān)儀表臺(tái)電源開關(guān)。只是中間停蒸氣后不能馬上?？諝?應(yīng)繼續(xù)通空氣,等空氣進(jìn)出口溫差小于10 ℃后再停空氣,起到快速降溫的作用。蒸氣發(fā)生器在停的時(shí)候必須稍微打開蒸氣排氣閥,防止降溫后加熱釜內(nèi)形成負(fù)壓。

2.4 實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的預(yù)判

(1) 開蒸氣發(fā)生器。蒸氣發(fā)生器水位指示燈亮,進(jìn)水泵自動(dòng)啟動(dòng),能聽到泵轉(zhuǎn)動(dòng)聲音,進(jìn)水結(jié)束,水位指示燈滅,加熱指示燈亮,開始加熱,隨著時(shí)間推移,壓力表顯示值由0增大到5.05×105Pa目標(biāo)值左右。

(2) 投用儀表。儀表有數(shù)值顯示,其中6個(gè)溫度顯示相同,并且為室溫；空氣流量?jī)x表顯示為零。

(3) 開風(fēng)機(jī)。聽到風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的聲音；開風(fēng)機(jī)出口閥,空氣流量表有讀數(shù)。隨著閥門開大,讀數(shù)相應(yīng)變大。

(4) 進(jìn)蒸氣。蒸氣閥打開后,由于蒸氣要先加熱蒸氣管線,則蒸氣閥門后的壓力表不會(huì)馬上顯示有讀數(shù),要過一段時(shí)間,當(dāng)從換熱器視窗看到有蒸氣進(jìn)入管間后,蒸氣壓力表才會(huì)慢慢有讀數(shù),并且緩慢增加,相應(yīng)調(diào)節(jié)閥門開度,使壓力控制在50 kPa左右。

(5) 穩(wěn)定階段。蒸氣進(jìn)入后,儀表臺(tái)上幾個(gè)溫度表讀數(shù)都開始增大,增大速度順序由快到慢依次為:蒸氣溫度表,壁溫2(靠近蒸氣入口端),壁溫1(靠近空氣進(jìn)口端),空氣出口溫度,空氣入口溫度。

空氣進(jìn)出口溫度差變化規(guī)律為先增加,后降低,之后降到一定數(shù)值后基本穩(wěn)定。

3 實(shí)踐方式

一種意識(shí)的培養(yǎng)要遵循循序漸進(jìn)的方式,所以設(shè)計(jì)者身份式預(yù)習(xí)方法實(shí)踐時(shí),前3個(gè)實(shí)驗(yàn)由教師以該方法引導(dǎo)為主,當(dāng)學(xué)生熟悉了解這種方法后,中間幾個(gè)實(shí)驗(yàn)改為學(xué)生自己實(shí)踐,以設(shè)計(jì)者身份提問、解釋,并與教師引導(dǎo)相結(jié)合的方式；最后一兩個(gè)實(shí)驗(yàn)基本由學(xué)生自己思考理解,教師只給予必要的引導(dǎo)。通過整個(gè)化工原理實(shí)驗(yàn)的實(shí)踐,讓學(xué)生完全掌握該方法,或者說一種思考的意識(shí)、看問題的角度。

要嚴(yán)格執(zhí)行預(yù)習(xí)不過關(guān)不能進(jìn)入實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的要求，否則再好的方法也會(huì)流于形式。

4 結(jié)束語

通過以設(shè)計(jì)者身份分析實(shí)驗(yàn)原理、實(shí)驗(yàn)裝置、實(shí)驗(yàn)步驟,理解每一個(gè)細(xì)節(jié)背后的原理或邏輯,真正做到對(duì)實(shí)驗(yàn)的理解,做到脫離實(shí)驗(yàn)教材順利做實(shí)驗(yàn),并及時(shí)發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)中的異?，F(xiàn)象,從而檢驗(yàn)對(duì)相關(guān)基本原理的理解程度,提高實(shí)驗(yàn)效果,增強(qiáng)學(xué)生的設(shè)計(jì)能力。

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Exploration on preview method for Chemical Engineering Principle Experiment

Wu Caijin, Yang Yong, Hu Tao

(College of Life Science and Chemical Engineering,Huaiyin Institute of Techology,Huai’an 223003,China)

To solve the worse experimental effect due to that the students do not pay any attention to or even have no idea of experimental preview, taking the “Determination of convective heat transfer coefficient” in Chemical Engineering Principle Experiment’ as an example, the preview method has been investigated, in which the students have the identities of designer. Both the experimental effect and the design ability of the students are great improved because of the clear understanding and recognizing of experimental principle, experimental instruments, experimental procedures and pre-judgement of experimental phenomena before experiment.

experimental preview; method investigation; chemical engineering principle experiment

2014- 12- 04 修改日期：2015- 01- 22

吳彩金(1973—),女,陜西渭南,博士,講師,研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)在化工中的應(yīng)用.

E-mail：wucaijin202@126.com

G642.0

B

1002-4956(2015)7- 0210- 03