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        噴霧冷卻傳熱綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建

        2018-07-26 09:24:06張偉亓航孫曉明
        教育教學(xué)論壇 2018年23期
        關(guān)鍵詞:實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

        張偉 亓航 孫曉明

        摘要:為實(shí)現(xiàn)科研與教學(xué)的融合,構(gòu)建了噴霧冷卻傳熱綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。該平臺(tái)由噴霧冷卻系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成,能實(shí)現(xiàn)演示性、驗(yàn)證性和創(chuàng)新性三個(gè)層次的教學(xué)目標(biāo)。以水噴霧冷卻光滑熱表面為例,介紹了所需儀器、實(shí)驗(yàn)過程、數(shù)據(jù)處理方法。噴霧冷卻傳熱實(shí)驗(yàn)可加深學(xué)生對(duì)強(qiáng)化傳熱知識(shí)的理解,提升學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手能力,激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新意識(shí),并在多元化創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)中發(fā)揮了重要作用。

        關(guān)鍵詞:噴霧冷卻;傳熱特性;實(shí)驗(yàn)教學(xué);實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

        中圖分類號(hào):G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1674-9324(2018)23-0269-03

        目前,我校能源與動(dòng)力工程專業(yè)學(xué)生對(duì)對(duì)流傳熱、強(qiáng)化傳熱等知識(shí)的學(xué)習(xí)主要是通過專業(yè)基礎(chǔ)課“傳熱學(xué)”和專業(yè)選修課“換熱器原理與設(shè)計(jì)”。在這兩門課中,教師僅講授一些基本理論知識(shí),未涉及實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。而實(shí)驗(yàn)教學(xué)在培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力、創(chuàng)新能力中發(fā)揮了不可替代的作用[1,2]。因此,構(gòu)建綜合性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)十分必要,這不僅能幫助學(xué)生更好地掌握課程知識(shí),更為重要的是為學(xué)生提供了一個(gè)施展平臺(tái),有利于學(xué)生自主學(xué)習(xí)和探索研究,是實(shí)施多元化創(chuàng)新型人才培養(yǎng)模式的有效保障[3]。為了更好地實(shí)踐中國石油大學(xué)(華東)提出的“三三三”本科培養(yǎng)體系[4],本著鼓勵(lì)本科生多參與教師科研的精神,筆者結(jié)合自身的研究方向,構(gòu)建了噴霧冷卻傳熱綜合實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)。

        一、噴霧冷卻傳熱實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)建設(shè)方案

        實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)是通過噴霧冷卻熱表面的方式,研究強(qiáng)化對(duì)流傳熱的原理、方法以及影響對(duì)流傳熱的因素。整體式實(shí)驗(yàn)件、保溫腔體、加熱系統(tǒng)、噴霧冷卻系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組合而成的噴霧冷卻傳熱實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)(圖1),可以使學(xué)生學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的搭建過程,掌握相關(guān)儀器的選型和操作,分析強(qiáng)化傳熱的途徑、方法等。

        1.整體式實(shí)驗(yàn)件。如圖2所示,整體式實(shí)驗(yàn)件為紫銅材料,由底部基座、頂部測(cè)試段和中間過渡段構(gòu)成,總高度為120mm。底部基座為圓柱體,直徑、高度分別為55mm、80mm;沿底部掏空出9個(gè)直徑10mm、高度75mm的熱源孔,用于放置電加熱棒。頂部測(cè)試段也是圓柱體,直徑、高度分別為15mm、25mm;從上表面向下5mm、12.5mm、20mm的三個(gè)截面處,沿著周向開設(shè)8個(gè)直徑1mm、深度3.5mm的測(cè)孔,用于埋設(shè)熱電偶。

        上述實(shí)驗(yàn)件的上表面是受噴霧沖擊、被冷卻的表面,當(dāng)?shù)撞考訜崤c上部冷卻相平衡時(shí),實(shí)驗(yàn)件溫度分布穩(wěn)定。通過處理采集到的溫度,可以得到噴霧冷卻傳熱特性。上表面可以是光滑表面,也可以是微結(jié)構(gòu)表面。不同的傳熱表面結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出不同的傳熱性能[5],通過更換整體式實(shí)驗(yàn)件,可進(jìn)行微結(jié)構(gòu)表面強(qiáng)化噴霧冷卻傳熱研究,這也為學(xué)生自主創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ)。

        2.噴霧冷卻系統(tǒng)。噴霧系統(tǒng)包括水槽、水箱、泵、流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥和噴嘴。實(shí)驗(yàn)中,水泵抽取冷水箱中的冷水,經(jīng)由轉(zhuǎn)子流量計(jì)、調(diào)節(jié)閥、噴嘴對(duì)實(shí)驗(yàn)件進(jìn)行噴霧冷卻,吸熱后的熱水回流水槽,接著進(jìn)入熱水箱。噴嘴選用微細(xì)壓力霧化噴嘴(HAGO公司,1/4FB-SS+FN0.75和1/4TT-SS+TG0.3),其具有霧化角小、流量分布均勻、流量小的特點(diǎn),可滿足實(shí)驗(yàn)要求。水泵選用的是南京歐瑞克公司的MG204XK/DC24W1磁力齒輪泵,其具有壓力高、流量低、易調(diào)節(jié)(外接調(diào)速控制器調(diào)轉(zhuǎn)速、控流量)的優(yōu)勢(shì),以滿足實(shí)驗(yàn)噴霧工況的變化。

        3.加熱系統(tǒng)。加熱系統(tǒng)產(chǎn)生熱量,使整體式實(shí)驗(yàn)件升溫,模擬電子發(fā)熱器件。交流電源、調(diào)壓器、電加熱棒、整體式實(shí)驗(yàn)件、腔體、保溫材料等組成加熱系統(tǒng),將電加熱棒(9只,功率為200W)嵌入整體式實(shí)驗(yàn)件熱源孔中,調(diào)節(jié)調(diào)壓器輸出指定的加熱功率,匹配噴霧冷卻能力,以實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)工況。整體式實(shí)驗(yàn)件放置于腔體中,兩者間隙填滿保溫材料,以減小熱量損失,保證熱量向上傳遞。

        4.數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集是實(shí)驗(yàn)中的重要環(huán)節(jié),Agilent34972A數(shù)據(jù)采集器、34901A數(shù)據(jù)采集卡、計(jì)算機(jī)構(gòu)成了數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),它將熱電偶及壓力傳感器獲取的電壓及電流信號(hào)轉(zhuǎn)化為直觀的溫度及壓力值。除了采集溫度、壓力數(shù)據(jù)外,實(shí)驗(yàn)中還配備了攝像機(jī),拍攝實(shí)驗(yàn)件上表面發(fā)生的噴霧冷卻現(xiàn)象,用于輔助分析傳熱規(guī)律。筆者以往的研究是在封閉系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行的[5],為了便于實(shí)驗(yàn)過程的觀察和拍攝,將原有系統(tǒng)改造為當(dāng)前的開放式系統(tǒng)。傳熱特性或性能主要由熱流密度表征,通過采集的溫度進(jìn)行計(jì)算:

        q=

        式中,q為熱流密度,單位為W/m2;λ為紫銅實(shí)驗(yàn)件導(dǎo)熱系數(shù),單位為W/(m·℃)分別為上、中、下三排熱電偶測(cè)得的溫度均值,單位為℃;分別為三排熱電偶的兩個(gè)間距,單位為m。

        二、教學(xué)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目設(shè)計(jì)

        針對(duì)能源與動(dòng)力工程專業(yè)在傳熱技術(shù)方面對(duì)多元化創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)需求,從演示性實(shí)驗(yàn)、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)和創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)三個(gè)方面[6]構(gòu)建了噴霧冷卻傳熱實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái),可以開展以下主要實(shí)驗(yàn)。

        1.噴霧冷卻傳熱認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)。通過對(duì)噴霧冷卻傳熱系統(tǒng)中各組件的組裝和管路的連接,熟悉傳熱實(shí)驗(yàn)臺(tái)的搭建過程,了解和實(shí)際操作齒輪泵、流量計(jì)、霧化噴嘴、電加熱棒、調(diào)壓器、攝像機(jī)、數(shù)據(jù)采集器等儀器設(shè)備,對(duì)整體式實(shí)驗(yàn)件(模擬電子發(fā)熱元件)有直觀的認(rèn)識(shí),為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)和工作打下基礎(chǔ)。

        2.噴霧特性對(duì)傳熱性能影響的實(shí)驗(yàn)。在同一個(gè)整體式實(shí)驗(yàn)件上,調(diào)節(jié)噴霧流量、噴嘴高度、噴嘴傾角、霧化壓力等特征參量,研究它們與傳熱性能的內(nèi)在關(guān)系,結(jié)合課本理論知識(shí),驗(yàn)證提升傳熱性能的因素。

        3.工質(zhì)性質(zhì)對(duì)傳熱性能影響的實(shí)驗(yàn)。在同樣操作條件下,做蒸餾水和酒精等工質(zhì)的對(duì)比實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)工質(zhì)性質(zhì)(沸點(diǎn)、汽化潛熱、比熱、導(dǎo)熱系數(shù)等)對(duì)傳熱性能的影響規(guī)律,結(jié)合攝像機(jī)拍攝的圖像、視頻,解釋強(qiáng)化傳熱的機(jī)理。

        4.表面微結(jié)構(gòu)對(duì)傳熱性能影響的實(shí)驗(yàn)。表面微結(jié)構(gòu)化因增加了表面的凸起與凹槽,改善了表面液膜的形態(tài),為近年來強(qiáng)化噴霧冷卻傳熱的主要方向。學(xué)生可自行設(shè)計(jì)表面微結(jié)構(gòu),與光滑表面作對(duì)比實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)傳熱最佳的表面微結(jié)構(gòu)并進(jìn)行機(jī)理解釋。

        工質(zhì)性質(zhì)、微結(jié)構(gòu)表面實(shí)驗(yàn)屬創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn),通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)過程、分析實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象、給出機(jī)理解釋等環(huán)節(jié)的訓(xùn)練,可激發(fā)學(xué)生的研究熱情,提升自我創(chuàng)新能力。

        三、噴霧冷卻傳熱實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)功能的多元化

        在噴霧冷卻傳熱實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)搭建過程以及不同傳熱性能影響因素的綜合設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)實(shí)施、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果分析中,學(xué)生不僅完成了綜合應(yīng)用技能的強(qiáng)化和研究方法的訓(xùn)練,更重要的是,學(xué)生可以根據(jù)自己的興趣自主選擇實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目,自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案,自主完成實(shí)驗(yàn)及分析過程[6],發(fā)現(xiàn)和探索噴霧冷卻傳熱過程的規(guī)律和原理,這樣既保證了理論教學(xué)演示性和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的開設(shè),又滿足了創(chuàng)新性、探究性和綜合性實(shí)驗(yàn)的需求,也充分發(fā)揮了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的認(rèn)識(shí)、綜合和探究功能[7]。

        當(dāng)前本科畢業(yè)設(shè)計(jì)選題普遍比較老舊且以理論計(jì)算為主,同時(shí)國家又大力倡導(dǎo)青年創(chuàng)新創(chuàng)業(yè),噴霧冷卻傳熱實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)既可改善本科生畢業(yè)選題質(zhì)量,又能為本科生提供創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練的途徑。學(xué)生可結(jié)合目前高功率電子器件散熱的需求以及噴霧冷卻技術(shù)的應(yīng)用前景,自主查閱文獻(xiàn),自主選擇或者在教師的指導(dǎo)下選擇研究內(nèi)容,利用教學(xué)平臺(tái)完成項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)。這不僅培養(yǎng)了學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的能力,更為重要的是為學(xué)生提供了一個(gè)從理論走向?qū)嵺`的平臺(tái),有助于提升學(xué)生的創(chuàng)新精神和實(shí)踐能力[8,9]。

        噴霧冷卻傳熱實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)還可滿足科學(xué)研究和科技創(chuàng)新的需要,實(shí)現(xiàn)教學(xué)和科研的緊密結(jié)合。平臺(tái)可為傳熱性能實(shí)驗(yàn)、強(qiáng)化傳熱表面微結(jié)構(gòu)的優(yōu)選及傳熱機(jī)理分析提供相關(guān)設(shè)備、裝置和儀器,還可開展納米流體噴霧冷卻、噴霧冷卻系統(tǒng)啟動(dòng)、噴霧冷卻蒸發(fā)特性等方面的研究。將科研設(shè)備、實(shí)驗(yàn)技術(shù)、科學(xué)思維引入實(shí)驗(yàn)教學(xué)中,部分科研成果轉(zhuǎn)化為本科實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容,吸納學(xué)生參與教師的科研項(xiàng)目,激發(fā)學(xué)生的科研熱情,實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)室資源的最大化利用[10]。

        四、結(jié)語

        噴霧冷卻傳熱實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的構(gòu)建,將教師科研設(shè)備轉(zhuǎn)化成為本科實(shí)驗(yàn)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了科學(xué)研究和實(shí)驗(yàn)教學(xué)的緊密結(jié)合。該實(shí)驗(yàn)平臺(tái),既滿足演示性、驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)的要求,又具有創(chuàng)新性、設(shè)計(jì)性和綜合性實(shí)驗(yàn)的功能,不僅能加深學(xué)生對(duì)強(qiáng)化傳熱知識(shí)的理解,而且可培養(yǎng)學(xué)生的工程素養(yǎng)、實(shí)踐動(dòng)手能力和科研創(chuàng)新意識(shí)。該平臺(tái)在實(shí)施多元化創(chuàng)新型人才培養(yǎng)中發(fā)揮了重要作用。

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