杜娟麗， 程花蕊，劉群生

(河南牧業(yè)經濟學院 食品工程系，鄭州 450011)

組合式空調器綜合性教學實驗臺的研發(fā)

杜娟麗， 程花蕊，劉群生

(河南牧業(yè)經濟學院 食品工程系，鄭州 450011)

教學實驗設備是實現(xiàn)良好實踐教學效果的基礎條件，是提高學生學習興趣、培養(yǎng)學生思維能力、增強實操技能的重要保障。為了提高空調專業(yè)人才培養(yǎng)質量，基于特定空間空氣參數(shù)要求，研發(fā)了一次回風組合式空調系統(tǒng)綜合實驗臺。該實驗臺可以實現(xiàn)冷卻、減濕、加熱、加濕等多種空氣處理過程，也可以實現(xiàn)空氣參數(shù)、液位、風量控制等功能，為教學和科研提供了有效的實驗條件，為CDIO工程教育新模式的“教、學、做”一體化教學系統(tǒng)的開發(fā)提供了有力保障。

組合式空調器；綜合性教學實驗臺；研發(fā)；CDIO模式

教學實驗設備是實現(xiàn)良好實踐教學效果的基礎條件，是提高學生學習興趣、培養(yǎng)學生思維能力、增強實操技能的重要保障，直接影響著人才培養(yǎng)質量。教育部相關文件強調，“要針對高等職業(yè)院校學生的特點，培養(yǎng)學生的社會適應性，教育學生樹立終身學習理念，提高學習能力，學會交流溝通和團隊協(xié)作，提高學生的實踐能力、創(chuàng)造能力、就業(yè)能力和創(chuàng)業(yè)能力?！辫b于此，CDIO(conceive—design—implement—operate)工程教育模式引起了眾多學者的重視[1-5]。CDIO模式，即“構想—設計—實施—操作”，將產品的全過程作為平臺，使學生能以主動的、實踐的、課程之間有聯(lián)系的方式學習和獲取工程能力、技術知識、終身學習以及與社會團體交流合作的能力。目前很多專業(yè)、課程都在研究并應用該教育理念[6-9]。但對于空調專業(yè)類工科專業(yè)，要想良好地實施CDIO模式，真正地將理論、實踐、創(chuàng)新有機地結合在一起，必須借助于有效的教學方法和良好的教學實驗設備。

因此，基于空調專業(yè)課程的內容及特點，以培養(yǎng)學生的獨立思考問題能力、實踐動手能力、創(chuàng)新能力和提高學生的職業(yè)素質為目標，自行研發(fā)了一套小型綜合性[10]組合式空調器教學實驗臺。該實驗臺可以實現(xiàn)冷卻、減濕、加熱、加濕等功能，同時，可以實現(xiàn)空氣溫/濕度參數(shù)控制、液位控制、新回風混合中風量控制等功能，有效地將空氣調節(jié)、制冷原理與設備、熱工檢測儀表及自動控制等多門課程的內容相融合，將課程中比較抽象的理論知識轉化成可視的、直觀的物理過程，以激發(fā)學生的學習興趣。此外，以產品研發(fā)過程為依托，設計了一套CDIO工程教學模式[11]，開發(fā)了一套邊學習、邊設計、邊制作的“教、學、做”一體化的教學流程，以提高學生的理論知識應用及實踐能力和創(chuàng)新能力，為教學實踐提供了有力保障，也為教師的科研提供有力支撐。

1 組合式空調器綜合性教學實驗臺的設計

基于組合式空調器的工作原理如圖1所示。

圖1 一次回風有再熱空氣處理過程

夏季：狀態(tài)點為W的室外環(huán)境空氣和狀態(tài)點為N的空調室內空氣混合，將混合后的空氣狀態(tài)點C經過冷卻器冷卻除濕后達到機械露點L，然后，將L狀態(tài)的空氣送入室內，吸收室內的余熱量和余濕量后變?yōu)槭覂瓤諝鉅顟B(tài)點N，重新進入循環(huán)，從而確保室內的溫、濕度要求。

冬季：狀態(tài)點為W′的室外環(huán)境空氣和狀態(tài)點為N的室內空氣混合，將混合后的空氣狀態(tài)點C′經過加濕器的噴蒸汽加濕后達到狀態(tài)點E，然后，將E狀態(tài)的空氣經過加熱器加熱后達到冬季送風點O′送入室內，吸收室內的余熱量和余濕量后變?yōu)槭覂瓤諝鉅顟B(tài)點N，亦重新循環(huán)，從而達到冬季的溫、濕度要求。

可見，組合式空調器主要由制冷裝置、加熱裝置、加濕裝置、風機和控制系統(tǒng)組成。由于該套設備主要應用于教學，因此，整套設備的結構、原理應滿足可視化，每種設備的功能不僅具有獨立可操作性，而且可實現(xiàn)多種設備的組合匹配工作，達到空氣的溫、濕度控制要求。

1.1 外殼設計

根據(jù)教學實驗臺的應用要求，外殼要滿足以下四點要求：(1)應是透明的，可以使學生直觀地看到內部的系統(tǒng)設備及觀察空氣處理過程的工作原理；(2)該材料應具有一定的強度和硬度，具有一定的支撐能力；(3)材料應具有一定的耐熱性能，可以承受箱體內加熱器產生的熱量影響;(4)價格便宜。綜合考慮以上四點要求，經過篩選，本實驗臺選擇了PS有機板。板材連接處的骨架采用鋁合金，一面設有對開門，以便于維修。

1.2 內部空氣處理設備的選型

根據(jù)特定空間的大小，估算室內冷負荷的值Q，由于空間內未考慮濕負荷源，所以，濕負荷忽略不計，從而可計算出熱濕比ε=∞。

1.2.1 制冷設備的選型

制冷設備主要應用于夏季。根據(jù)夏季空氣處理過程，由已知的室外狀態(tài)點W的干球溫度tw、濕球溫度ts,w及室內狀態(tài)點N的干球溫度tN、相對濕度φN，在h-d圖上分別確定點W和點N位置，查取兩點對應的焓值hw，hN。由ε=∞，可在h-d圖上確定機械露點L，并查取焓值hL。從而設定空間的送風量G可確定為：

(1)

根據(jù)設定空間要求選取最小新風量GW，計算回風量GN。

由能量守恒可確定混合狀態(tài)點C的焓值為：

(2)

由此，可確定制冷裝置需要提供的冷量為：

Q0=G(hC-hL)

(3)

考慮能量調節(jié)及各環(huán)節(jié)的冷量損失，設備的安全余量，在計算結果的基礎上乘以相應的修正系數(shù)，便可選擇出合適的制冷設備型號。

1.2.2 加熱設備的選型

加熱設備主要應用于冬季。根據(jù)冬季空氣處理過程，由已知冬季室外空氣狀態(tài)W′的干球溫度tW′和相對濕度ψW′，在h-d圖中可確定點W′，查取其焓值為hW′。由于冬季的新、回風比與夏季相同，則冬季混合狀態(tài)點C′的焓值為：

(4)

根據(jù)計算結果在h-d圖中可確定點C′?？紤]該實驗裝置是設置于室內，C'對應的溫度往往高于機械露點L的溫度，因此，可過點C′直接做等溫線與NL線相交，進而確定噴蒸汽加濕后的終狀態(tài)點E，讀取其焓值hE。

根據(jù)冬季設定空間的熱負荷Q′，風量G，由

(5)

可確定冬季的送風狀態(tài)點O′。由此，可確定加熱器提供的加熱量為：

Qr=G(hO'-hE)

(6)

考慮加熱過程中的各種熱損失及加熱器的安全余量，可選擇出合適的加熱器型號。由于本實驗設備比較小，加熱設備可選擇體積小、安裝靈活、不需外部熱源的電加熱器。

1.2.3 加濕器的制作

由于本實驗臺的加濕量比較小，市場上沒有合適的加濕器成品，需自己制作。根據(jù)加濕過程中的點C′和點E的含濕量值dC′、dE，可確定加濕量m為：

m=G(dC′-dE)

(7)

為了加工方便，加濕器的形狀可選擇方形或矩形，高度可根據(jù)容器內電加熱絲的安裝位置、水位控制器對最高水位和最低水位的要求及蒸汽所占空間要求而定。為了確保蒸汽按照一定規(guī)律釋放，使空氣加濕均勻，加濕器的頂蓋上開有一定數(shù)量、分布均勻的圓孔，加濕器的寬度和長度根據(jù)加濕量m、噴汽孔徑的大小、數(shù)量、相鄰兩孔間的間距、空氣流經的寬度等參數(shù)來確定。

1.2.4 風機的選型

風機的型號與風量和壓損有關。對于實驗臺來講，由于控制空間的區(qū)域非常小，所需風量也比較小，對于相應風量的風機全壓無法克服風系統(tǒng)中最大壓損的要求。因此，風機在選型時，實際選擇的風機型號會比理論型號大很多。但為了使輸送風量滿足要求，在風道中需設置風閥，以便按要求調節(jié)風量大小。

1.3 控制柜的制作

1.3.1 控制設備選型

根據(jù)組合式空調器的控制要求，需要檢測的參數(shù)有設定空間的溫度和濕度、加濕器水槽的水位、外部環(huán)境溫度、送風溫度、壓縮機的吸/排氣壓力等；需要控制的設備有制冷設備、冬季空氣再熱用加熱設備、空氣加濕用加熱設備、送風風機、補水電磁閥等；另外，還要考慮到主令開關數(shù)量、顯示信號數(shù)量等。計算出輸入信號和輸出信號的數(shù)量，考慮適當?shù)挠嗔肯禂?shù)，最終選擇歐姆龍公司的CP1H-XA40DR-A型一體式高功能可編程控制器和NT5Z-ST121B-EC型觸摸屏作為主要控制設備。根據(jù)控制要求編寫可編程控制器程序和觸摸屏控制、監(jiān)控畫面程序，達到組合式空調器的控制要求。

1.3.2 控制柜的制作

控制柜的制作重點在控制面板的設計、制作以及控制柜內控制元件的布局。控制面板上設有緊急停止按鈕、啟動/停止按鈕；設有電源指示燈、壓縮機工作狀態(tài)指示燈、空氣再熱用加熱設備工作狀態(tài)指示燈、空氣加濕用加熱設備工作狀態(tài)指示燈、送風風機工作狀態(tài)指示燈、補水電磁閥工作狀態(tài)指示燈、壓縮機高壓報警指示燈；顯示儀表設有電壓、電流儀表。所有的按鈕、指示燈、儀表和觸摸屏合理地布置在面板上?？删幊绦蚩刂破?、設備驅動繼電器等安裝在控制柜內。

2 組合式空調器的功能

通過以上設計、計算、選型、安裝及調試，該組合式空調器實驗臺可以實現(xiàn)以下實驗：

1)風量的測定實驗

使學生感性地認識到風量的調節(jié)過程，熟悉一些熱工測量儀器設備的功能及使用方法。

2)干、濕球溫度的測量與露點溫度的測量實驗

通過該實驗設備可不斷地改變測量條件，測量不同的溫度結果，使學生對比、分析自己測量的數(shù)據(jù)，從而加深學生對濕球溫度、露點溫度等抽象概念的理解及應用。

3)夏季空氣冷卻減濕處理過程實驗、冬季空氣加熱處理過程實驗、冬季空氣加熱加濕處理過程實驗

學生通過直觀地觀察、感受空氣的不同處理過程，掌握空氣調節(jié)的基本方法和技能，同時，通過不同空氣處理過程的控制，也可實現(xiàn)不同的空氣溫、濕度控制目標，滿足不同的參數(shù)要求。

4)空氣處理過程的控制實驗

在控制柜的觸摸屏上設有壓縮機運行狀態(tài)監(jiān)控畫面，可以實時顯示壓縮機的啟/停狀態(tài)、吸/排氣壓力數(shù)據(jù)；設定空間溫度、濕度監(jiān)控畫面可以實時顯示溫度、濕度數(shù)據(jù)；空氣再熱器工作狀態(tài)監(jiān)控畫面可以實時顯示加熱器的開、停狀態(tài)；空氣加濕用加熱設備工作狀態(tài)監(jiān)控畫面可以實時顯示加熱器的開、停狀態(tài)；送風風機工作狀態(tài)監(jiān)控畫面可以實時顯示風機的開、停狀態(tài)；補水電磁閥工作狀態(tài)監(jiān)控畫面可以實時顯示電磁閥的打開、關閉狀態(tài)。觸摸屏畫面直觀、清晰、實時顯示。通過由表及里的引導和啟發(fā)，讓學生掌握實現(xiàn)每一個空氣處理過程采用的控制方法、控制手段以及編程方法，最終讓學生掌握其控制原理。

3 結束語

基于一次回風空氣處理過程研發(fā)的小型綜合組合式空調器教學實驗臺，具有占地面積小，操作靈活，直觀性強的特點，而且成本較低，可有效降低學校的實驗設備投入。除此之外還可實現(xiàn)以下價值：(1)小型綜合組合式空調器教學實驗臺可以完成多項實驗，增強了知識的綜合性[12]、實踐性和創(chuàng)新性。(2)小型綜合組合式空調器教學實驗臺的研發(fā)實現(xiàn)了空氣調節(jié)等課程的CDIO工程教育新模式的開發(fā)，深入實踐了CDIO工程教育新模式的“教、學、做”一體化的教學過程。

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Design of Comprehensive Teaching Experiment Device for Combined Air Conditioner

DU Juanli，CHENG Huarui，LIU Qunsheng

(Department of Food Engineering, He’nan University of Animal Husbandry and Economy, Zhengzhou 450011, China)

Teaching experiment equipment is the basic condition to realize good practice teaching effect. It is an important safeguard to improve the students’ learning interest, to raise students’ thinking ability, to strengthen the practical operation skills. In order to improve the quality of air conditioning professional personnel training, the teaching experiment device of combined air conditioner is designed, which is based on the requirement of air parameters for a specific space. The experiment equipment can achieve various airs handling process, such as cooling and dehumidification, heating, humidifying. At the same time, it can realize the air parameters control, level control, air volume control Etc. And it can provide effective experimental conditions for teaching and science, as well as provides strong guarantee for “integration of teaching, learning and doing” teaching system development of new CDIO engineering education mode.

combined air conditioner; comprehensive teaching experiment device; design; CDIO mode

2014-05-12；修改日期: 2014-08-19

河南牧業(yè)經濟學院教研基金資助項目(MJG20140207)。

杜娟麗(1979-)，女，碩士，講師,主要從事制冷空調方向的科研與教學工作。

TB657.3

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.01.067