王文蓉，莫政宇，謝 果，孫立成

(四川大學(xué) 水利水電學(xué)院,四川 成都 610065)

如何在本科實驗教學(xué)過程中，最大限度地提高學(xué)生動手實踐能力，培養(yǎng)專業(yè)知識扎實、實踐能力強的創(chuàng)新型人才，一直是各個高校實驗教學(xué)改革的核心。基于此，不同于傳統(tǒng)實驗教學(xué)內(nèi)容的一些綜合性實驗教學(xué)項目得到了迅猛發(fā)展，幾乎涵蓋每個學(xué)科領(lǐng)域[1-6]。與此同時，高校、特別是一些重點高校，豐富的科學(xué)研究活動積累了大量先進(jìn)的科研綜合試驗平臺和貴重的實驗設(shè)備，這是一筆龐大和極其重要的資源。如何依托這些高校的科研資源和人才資源優(yōu)勢，促進(jìn)教學(xué)發(fā)展，特別是直接提高實驗教學(xué)的質(zhì)量、深化實驗教學(xué)改革，也逐漸得到了諸多高校的重視與關(guān)注。以清華大學(xué)、武漢大學(xué)及南開大學(xué)等為代表的一批頂尖院校，自20世紀(jì)90年代就開始了有益的嘗試，但由于那時我國的經(jīng)濟實力比較弱，并未取得實質(zhì)性的進(jìn)展[7-8]。進(jìn)入到21世紀(jì)，尤其是近十年來，國家在科研上的大量投入，徹底改變了我國高校在科研方面的落后面貌。

一方面是大量科研資源的不斷積累；另一方面，實驗教學(xué)改革需要大量的資金投入。如何能將這些科研資源和實驗教學(xué)改革有機結(jié)合起來，已經(jīng)成為各個高校、特別是重點高校面臨的一個重要課題[9-12]。

四川大學(xué)能動系依托水電學(xué)院和水力學(xué)與山區(qū)河流開發(fā)保護(hù)國家重點實驗室多年的科研積累，擁有完備的大型試驗平臺及設(shè)備。本文主要介紹能動系利用熱工水力綜合科研試驗平臺開展本科實驗綜合項目的實施情況和取得的效果。

1 熱工水力綜合試驗平臺介紹

1.1 試驗平臺組成

熱工水力綜合試驗平臺，主要用于多種形式的換熱設(shè)備傳熱及流動性能的測試，系統(tǒng)布置如圖1所示。系統(tǒng)包括冷水回路、熱水回路、供氣系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集及控制系統(tǒng)。冷水回路主要部件包含水箱、冷卻塔、冷卻水循環(huán)泵、過濾裝置、連接管路、閥門及傳感器等。熱水回路包含熱水水箱(含加熱器)、熱水循環(huán)泵、過濾器、連接管路、閥門及傳感器等。測試系統(tǒng)包括不同量程的壓力傳感器、流量計、熱電偶和高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等。熱水水箱的加熱器配備了一個電源控制柜，以對加熱功率進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。另外還配備了一套供氣系統(tǒng)，包括空氣壓縮機、儲氣罐、減壓閥及流量調(diào)節(jié)閥等，可以為系統(tǒng)提供一定參數(shù)的空氣。

圖1 熱工水力綜合試驗平臺

1.2 試驗平臺的功能及主要設(shè)計參數(shù)

該試驗平臺可以實現(xiàn)對于多種類型的換熱設(shè)備流動阻力及傳熱性能測試，包括傳統(tǒng)的管殼式換熱器、板式換熱器及新型的小型緊湊式換熱設(shè)備等。循環(huán)水泵為不銹鋼多級泵，提供的流量范圍為0～100m3/h，揚程可達(dá)45m；加熱功率最高可達(dá)100kW；供氣回路可提供0.8MPa、60m3/h穩(wěn)定的空氣流量。

2 科研平臺用于本科實驗教學(xué)綜合項目的設(shè)計

2.1 項目設(shè)計目的

能源與動力工程專業(yè)最重要的專業(yè)基礎(chǔ)課程包括熱力學(xué)、流體力學(xué)和傳熱學(xué)等。另外，換熱器設(shè)計、動力工程測試技術(shù)等也都是非常重要的專業(yè)課程。本科生教學(xué)實踐中，這些課程大多只有單一的課程實驗，學(xué)生僅能掌握某一課程的單一實驗基本技能，缺少綜合類實驗訓(xùn)練，對一些先進(jìn)的綜合數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的儀器很少有使用機會。如何通過實驗項目設(shè)計，使本科階段的學(xué)生把這些重要課程所學(xué)的基礎(chǔ)知識串聯(lián)起來，并明白所學(xué)專業(yè)基礎(chǔ)知識的重要性及在實際中的應(yīng)用過程，是項目設(shè)計的最終目的。

2.2 項目設(shè)計內(nèi)容及要求

項目設(shè)計的內(nèi)容要具有綜合性，并能對能源與動力工程專業(yè)的本科學(xué)生起到綜合訓(xùn)練的作用，由于換熱器是能源動力工程中最常見和重要的設(shè)備之一，也是專業(yè)課程中必須要學(xué)習(xí)的核心內(nèi)容之一，這一綜合實驗項目與相關(guān)課程的聯(lián)系如圖2所示。

圖2 綜合項目與相關(guān)課程的關(guān)聯(lián)圖

為達(dá)到以上的設(shè)計目的，以換熱器的設(shè)計和性能測試為出發(fā)點，聯(lián)合相關(guān)課程教學(xué)及實驗教學(xué)老師設(shè)計了一個綜合的實驗項目。項目要求參與實驗設(shè)計的同學(xué)從換熱器的設(shè)計開始，完成設(shè)計、校核、測試設(shè)計及性能評估4個主要階段。項目涉及的主要5個課程環(huán)節(jié)如下。

1)換熱器的設(shè)計原理。

設(shè)計以最傳統(tǒng)的管殼式換熱器為對象，要求同學(xué)設(shè)計一符合使用要求的換熱器，明確設(shè)計要求，包括換熱功率、安裝要求等。涉及的專業(yè)基礎(chǔ)知識包括傳熱學(xué)中的復(fù)合導(dǎo)熱及換熱器設(shè)計部分及流體力學(xué)中的流體流動阻力計算等基本環(huán)節(jié)。

2)測試樣機設(shè)計原則。

要求同學(xué)利用流體力學(xué)中非常重要的相似原理，為所設(shè)計的換熱器設(shè)計測試樣機。通過對樣機的傳熱性能及流動阻力性能的測試，能夠反映出所設(shè)計原型換熱器的工作性能。由于相似原理是在工程設(shè)計中極為重要的基礎(chǔ)知識，對于這一原理的掌握和運用在很大程度上決定了工程項目在研發(fā)和測試過程的成本，因此要求學(xué)生能通過這一項目理解相似原理的重要性和使用原則。

由于換熱器內(nèi)外的換熱方式，主要是通過對流方式進(jìn)行。因此在設(shè)計過程中需要著重考慮原型換熱器與測試樣機之間流動和傳熱過程的相似。以換熱功率1000kW設(shè)計要求，給出的原型換熱器和測試樣機的參考設(shè)計方案如圖3所示。

圖3 原型換熱器與測試樣機的對比示意圖

3)原型換熱器及測試樣機設(shè)計。

由于換熱器設(shè)計有標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計程序和原則，要求學(xué)生在設(shè)計過程中嚴(yán)格按照標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計程序進(jìn)行，期間要了解和掌握換熱器的主要設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。如承壓元件的受力分析及設(shè)計依照標(biāo)準(zhǔn)《GB150壓力容器》執(zhí)行；換熱性能設(shè)計依據(jù)《GB151管殼式換熱器》及《化工設(shè)備設(shè)計手冊》執(zhí)行；接管部分根據(jù)《汽水管道設(shè)計手冊》執(zhí)行等。要給出原型換熱器及測試樣機的熱工設(shè)計過程、標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計圖紙。鑒于目前很多產(chǎn)品設(shè)計全部采用立體化設(shè)計，還要求部分學(xué)生能夠運用三維軟件，如ProE、UG、AutoCAD等進(jìn)行三維立體化設(shè)計。如圖4所示，給出的是一個測試樣機的三維設(shè)計示意圖。

圖4 樣機三維模型示意圖

4)樣機測試系統(tǒng)設(shè)計。

動力工程測試技術(shù)是能源與動力工程專業(yè)的一門重要專業(yè)課程，有很強的實用性，在項目設(shè)計中需要做專門的考慮和安排。換熱器樣機的傳熱和流動阻力特性測試，需要獲得的參數(shù)包括溫度、流量、壓力和壓差等。因此在項目設(shè)計過程中，傳感器量程、精度、響應(yīng)特性要求等，都需要學(xué)生在選型過程中自行考慮，同時還要兼顧儀表的經(jīng)濟成本。

傳感器選型等工作完成后，學(xué)生還要設(shè)計實驗的參數(shù)范圍、實驗步驟及實驗方法等，并在系統(tǒng)調(diào)試過程中，不斷修正和完善測試方法。通過這一設(shè)計環(huán)節(jié)，可以使學(xué)生明白多種傳感器的工作原理、特性和優(yōu)缺點，并深刻理解儀表靜態(tài)特性、動態(tài)特性等性能與測量要求之間的關(guān)系，可以加深對于這門專業(yè)課程重要性和實用性的理解。如圖5所示，為換熱器樣機及傳感器的布置實物照片。

圖5 測試樣機及傳感器布置

5)樣機測試和數(shù)據(jù)分析。

樣機性能的測試過程，需要學(xué)生按照預(yù)先的實驗步驟和要求進(jìn)行，獲取不同流量下?lián)Q熱器進(jìn)出口溫度、壓降等數(shù)據(jù)，以對樣機的換熱及流動阻力特性進(jìn)行分析，并根據(jù)相似原理分析原型換熱器的工作特性是否滿足設(shè)計要求。

數(shù)據(jù)采集和轉(zhuǎn)化全部通過虛擬儀器軟件LabVIEW平臺實現(xiàn)。學(xué)生需要基本了解虛擬儀器的概念及LabVIEW這種開放式、圖形化編程語言的基本原理，并能夠根據(jù)測量需要，修改測試程序。另外，對于獲得的實驗數(shù)據(jù)，學(xué)生能夠根據(jù)實驗數(shù)據(jù)的處理和分析方法，對實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并對測量誤差進(jìn)行評估。

3 實驗教學(xué)實踐過程

3.1 實驗指導(dǎo)書編寫

對于一個綜合性實驗項目，具有一定的復(fù)雜性，為達(dá)到設(shè)計目標(biāo)要求，需要編寫詳細(xì)的實驗指導(dǎo)書，以使學(xué)生能較快掌握實驗項目的主要脈絡(luò)，了解涉及的專業(yè)知識及完成整個實驗過程所需要的時間。項目的實施可以多個同學(xué)合作集中完成，也可以按照課程學(xué)習(xí)的進(jìn)度分階段進(jìn)行。因此，指導(dǎo)書在編寫過程中，兼顧了漸進(jìn)性及靈活性的要求。

3.2 實施過程及效果

在四川大學(xué)能動專業(yè)本科三年級和四年級的學(xué)生中，分別進(jìn)行了本實驗項目的實施工作，主要占用傳熱學(xué)及動力工程測試技術(shù)兩門課程的實驗學(xué)時來完成，參與學(xué)生人數(shù)共計170人。鑒于實驗學(xué)時限制，實驗采取分組合作方式完成，主要集中在換熱器設(shè)計、測試和性能分析環(huán)節(jié)，學(xué)生實驗測試的一組數(shù)據(jù)如表1所示，學(xué)生實驗照片如圖6所示。

表1 學(xué)生換熱器實驗的一組數(shù)據(jù)

圖6 學(xué)生實驗照片

由于實驗項目的自主性、新穎性和挑戰(zhàn)性比較強，且傳感器、測試系統(tǒng)等全部需要購置，測量精度、響應(yīng)特性等都比較高；大多數(shù)設(shè)計參數(shù)和要求都按照科研項目要求設(shè)置，盡量讓實驗項目接近實際的工程項目要求。

實驗項目的實施效果良好，參與的同學(xué)主要在以下3個方面獲得了較大收獲：

1)換熱器設(shè)計原理和工程應(yīng)用換熱器設(shè)計之間的區(qū)別與聯(lián)系，進(jìn)一步加深了對于理論指導(dǎo)實際生產(chǎn)過程重要性的感性認(rèn)識；

2)對測試技術(shù)在科學(xué)實踐和工業(yè)生產(chǎn)過程中作用的理解進(jìn)一步加深，熟悉了測量儀表的選型過程、使用原則，進(jìn)一步掌握了數(shù)據(jù)分析及誤差處理的原理及過程；

3)實驗項目的完成過程幫助學(xué)生進(jìn)一步理解了專業(yè)知識在實際應(yīng)用過程中的重要作用，提高了學(xué)生對于專業(yè)知識學(xué)習(xí)的興趣。

通過上述管殼式換熱器的設(shè)計和性能測試綜合實驗項目，學(xué)生將多門課程的專業(yè)知識進(jìn)行了綜合應(yīng)用，既熟悉了科研工作的過程和需要解決的工程問題，又提升了本科實驗教學(xué)的質(zhì)量和效果，特別是增加了本科生從事科研工作的興趣，為教師科學(xué)研究后備人才的招生和培養(yǎng)打下了基礎(chǔ)，教學(xué)和科研互相服務(wù)和受益，值得借鑒和參考。

4 結(jié)束語

四川大學(xué)能源與動力工程系整合科研資源，利用熱工水力綜合試驗平臺，設(shè)計了針對本科生專業(yè)課程的管殼式換熱器設(shè)計及性能測試綜合性實驗項目，經(jīng)過兩個教學(xué)輪次的教學(xué)實踐，取得了良好的教學(xué)效果。一方面，提高了科研資源利用效率。另一方面，也可以直接讓本科學(xué)生接觸最為實際和最新的科研活動，增加對于專業(yè)學(xué)習(xí)的興趣。也進(jìn)一步證明，“利用科研帶動和促進(jìn)教學(xué)模式”應(yīng)該在高等教育教學(xué)改革過程中進(jìn)一步深化和推廣。