基于冷鏡式光電露點(diǎn)儀的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

王　偉， 蓋軼靜， 孫育英， 吳　旭

(北京工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 北京　100124)

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基于冷鏡式光電露點(diǎn)儀的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)

王偉， 蓋軼靜， 孫育英， 吳旭

(北京工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院， 北京100124)

針對建環(huán)專業(yè)本科生對于空氣狀態(tài)參數(shù)的測試原理及耦合關(guān)系缺乏了解等問題，以教學(xué)型冷鏡式光電露點(diǎn)儀為實(shí)驗(yàn)平臺，開發(fā)了空氣狀態(tài)參數(shù)測定和簡單空氣處理過程實(shí)驗(yàn)，通過測量空氣干球溫度和露點(diǎn)溫度，計(jì)算其他狀態(tài)參數(shù)，并展示了實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用案例。該實(shí)驗(yàn)適用于建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程及相關(guān)專業(yè)實(shí)踐教學(xué)，為學(xué)生提供了良好的實(shí)驗(yàn)平臺，讓學(xué)生深入了解空氣狀態(tài)參數(shù)的本質(zhì)概念及測定原理。

空氣參數(shù)測定； 教學(xué)實(shí)驗(yàn)； 空氣處理過程； 光電技術(shù)； 露點(diǎn)儀

保證良好的室內(nèi)空氣品質(zhì)是建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)的核心任務(wù)之一[1]?？諝鉁囟取穸鹊茸鳛闈窨諝獾闹饕獱顟B(tài)參數(shù)，是衡量建筑環(huán)境的重要指標(biāo)，是建環(huán)專業(yè)學(xué)生應(yīng)熟練掌握的基本參數(shù)[2]，也是專業(yè)主干課程“工程熱力學(xué)”“空氣調(diào)節(jié)”以及“熱質(zhì)交換原理與設(shè)備”教學(xué)的基礎(chǔ)知識點(diǎn)[3-5]。

絕大多數(shù)學(xué)生通過理論學(xué)習(xí)，對空氣狀態(tài)參數(shù)有基本的概念認(rèn)知；通過手持式電子溫濕度儀、濕球溫度計(jì)等測量實(shí)驗(yàn)，在一定程度上了解空氣狀態(tài)參數(shù)；但是，在教學(xué)中發(fā)現(xiàn)學(xué)生對空氣狀態(tài)參數(shù)的測試原理不清楚，對室內(nèi)空氣相對濕度、含濕量、濕球溫度以及露點(diǎn)溫度等參數(shù)之間的耦合關(guān)系也缺乏了解，不利于后期專業(yè)課程學(xué)習(xí)[6-7]。因此，有必要對現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行深化改革，提高學(xué)生對濕空氣的相變過程認(rèn)識，加強(qiáng)學(xué)生對測量結(jié)果的判斷和分析能力[8]。本文以教學(xué)型冷鏡式光電露點(diǎn)儀為實(shí)驗(yàn)設(shè)備，開發(fā)了空氣狀態(tài)參數(shù)測定和簡單空氣處理過程的創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)。通過測量空氣的干球溫度和露點(diǎn)溫度，并根據(jù)理論計(jì)算相應(yīng)的空氣其他狀態(tài)參數(shù)，讓學(xué)生將理論與實(shí)驗(yàn)結(jié)合，直觀化地理解濕空氣狀態(tài)參數(shù)的測定原理，系統(tǒng)化地理解空氣狀態(tài)參數(shù)的本質(zhì)概念及參數(shù)之間的聯(lián)系，提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生的興趣。

1　實(shí)驗(yàn)原理

濕空氣的狀態(tài)通常可以用壓力、溫度、相對濕度、含濕量及焓等參數(shù)來度量和描述，這些參數(shù)稱為濕空氣的狀態(tài)參數(shù)。露點(diǎn)儀通過測量空氣的干球溫度和露點(diǎn)溫度，計(jì)算其他狀態(tài)參數(shù)[9-10]。

1.1.1具體計(jì)算公式如下

(1) 飽和水蒸氣分壓力計(jì)算公式[5, 11]：

(1)

式中：pq b為飽和水汽分壓力(bar)；t為空氣溫度(℃)。

(2) 含濕量計(jì)算公式：

(2)

式中：d為濕空氣含濕量(kg/kg)；φ為相對濕度(%)；B為空氣總壓力(實(shí)驗(yàn)室提供，B=1.013 25×105Pa)。

(3) 水蒸氣分壓力pq計(jì)算公式

(3)

(4) 相對濕度j計(jì)算公式

(4)

(5) 空氣焓值計(jì)算公式

i=cp.gt+d(2500+cp.qt)

i=1.01t+d(2500+1.84t)

(5)

式中：i為濕空氣的比焓(kJ/kg)；cp.g為干空氣的定焓比熱，常溫下cp.g=1.01kJ/(kgK)；cp.q為水蒸氣的定壓比熱，常溫下cp.q=1.84kJ/(kgK)；2 500為0 ℃時水的汽化潛熱(kJ/kg)。

1.1.2計(jì)算步驟

計(jì)算步驟如下：

(1) 由實(shí)驗(yàn)測得空氣露點(diǎn)溫度tB以及公式(1)，可求出空氣狀態(tài)點(diǎn)A飽和水蒸氣分壓力pqb；

(2) 由pqb,B、B點(diǎn)的相對濕度φB=100%以及公式(2)，可求出B點(diǎn)的含濕量dB；

(3) 由dB和公式(3)，可求出B點(diǎn)的水蒸氣分壓力pq,B；

(4) 由dB、B點(diǎn)的干球溫度tB及公式(5)，可求出iB；

(5) 由于該空氣處理過程為等濕冷卻，所以dA=dB，由dA和公式(3)可求出pq,A；

(6) 由pq,A、pqb,A以及公式(4)，可求出A點(diǎn)的相對濕度φA；

(7) 測得A點(diǎn)的干球溫度tA、dA及公式(5)，可求出A點(diǎn)的相對濕度iA。

2　實(shí)驗(yàn)臺與原理

冷鏡式光電露點(diǎn)儀核心部件為冷鏡面、帕爾貼半導(dǎo)體制冷器、散熱器、鉑電阻、光電發(fā)射器和接收器。該儀具有操作簡潔、效果直觀且維護(hù)成本低的優(yōu)點(diǎn)。實(shí)驗(yàn)臺實(shí)物圖見圖1。實(shí)驗(yàn)臺通過單片機(jī)進(jìn)行邏輯控制，采用LED屏幕顯示實(shí)驗(yàn)參數(shù)。

圖1　實(shí)驗(yàn)臺實(shí)物圖

實(shí)驗(yàn)臺原理圖見圖2。通過誘導(dǎo)風(fēng)機(jī)，將環(huán)境空氣從實(shí)驗(yàn)臺左側(cè)的進(jìn)風(fēng)口引入實(shí)驗(yàn)臺測試段，經(jīng)過冷鏡面時被冷卻降溫；冷鏡面在制冷器作用下溫度逐漸降低，降至空氣露點(diǎn)時冷鏡面表面產(chǎn)生結(jié)露(霜)現(xiàn)象；結(jié)露(霜)后，冷鏡面表面反射率發(fā)生變化，使得光電傳感器的接收信號發(fā)生變化[12]，將信號變化傳遞給單片機(jī)，記錄此刻鉑電阻測得的冷鏡面溫度即為此時空氣露點(diǎn)溫度。

圖2　實(shí)驗(yàn)臺原理圖

圖3為焓-濕圖上實(shí)驗(yàn)過程中空氣狀態(tài)的處理過程。A點(diǎn)為室內(nèi)狀態(tài)參數(shù)點(diǎn)，B點(diǎn)為A點(diǎn)對應(yīng)的露點(diǎn)。室內(nèi)空氣進(jìn)入測試段后，被“干冷卻”直至結(jié)露(霜)，即由A處理至B的過程。

圖3　空氣狀態(tài)處理過程

3　實(shí)驗(yàn)過程及結(jié)果

3.1實(shí)驗(yàn)步驟

(1) 預(yù)熱。將儀器接通電源(220V)，并打開電源開關(guān)，預(yù)熱5min;根據(jù)操作鍵(▲和▼)設(shè)置鏡面預(yù)熱溫度，通過對鏡面加熱，清除鏡面表面殘余水分和結(jié)露(霜)，充分干燥鏡面。設(shè)置完畢后，按Ent鍵開始加熱鏡面。

(2) 平衡。鏡面加熱到設(shè)置溫度時開始對鏡面制冷，觀察顯示屏上鏡面溫度變化，等待鏡面溫度T下降至干球溫度；待鏡面溫度下降到干球溫度時，界面顯示平衡完成。按Ent鍵開始測量。

(3) 制冷。鏡面制冷，制冷量的大小可以根據(jù)操作鍵(▲加快制冷速率和▼降低制冷速率)調(diào)節(jié)，等待鏡面結(jié)露(霜)，在此期間可通過覘口觀察鏡面表面變化。

(4) 結(jié)露。當(dāng)鏡面開始結(jié)露(霜)即達(dá)到空氣露點(diǎn)溫度時，鏡面產(chǎn)生結(jié)露(霜)現(xiàn)象，致使光電發(fā)射信號的反射率發(fā)生突變，此時鏡面兩端光電傳感器接收信號發(fā)生變化，將信號傳輸?shù)絻x器內(nèi)部單片機(jī)處理中心，單片機(jī)接收信號后，發(fā)出指令，停止制冷，鏡面達(dá)到露點(diǎn)溫度。

(5) 數(shù)據(jù)輸出及整理。①鏡面達(dá)到露點(diǎn)溫度時，記錄顯示屏上顯示的入口空氣溫度、鏡面溫度和出口空氣溫度。記錄完數(shù)據(jù)后，按Ent鍵結(jié)束測量，顯示界面上將出現(xiàn)“測量完成”字樣，按Ent鍵將進(jìn)入下一次的平衡；②反復(fù)3次測試過程，計(jì)算平均露點(diǎn)溫度值，通過本文實(shí)驗(yàn)原理部分所提供公式及計(jì)算方法，計(jì)算出空氣相對濕度、含濕量及焓等狀態(tài)參數(shù)。在i-d圖中查得相應(yīng)的空氣參數(shù)對計(jì)算結(jié)果進(jìn)行校核。

3.2實(shí)驗(yàn)案例

表1為某次實(shí)驗(yàn)的測試數(shù)據(jù)，將3次測量結(jié)果取平均值，得到室內(nèi)空氣狀態(tài)點(diǎn)(入口A點(diǎn))干球溫度tA為24.1 ℃，其對應(yīng)的露點(diǎn)(鏡面B點(diǎn))干球溫度tB為-7.83 ℃。實(shí)驗(yàn)中空氣狀態(tài)參數(shù)的處理過程在焓濕圖上的表示見圖4。

表1　實(shí)驗(yàn)測試數(shù)據(jù)

根據(jù)測試結(jié)果，依據(jù)前述計(jì)算步驟，采用公式(1)—(5)，計(jì)算A、B兩點(diǎn)的水蒸氣分壓力、含濕量、相對濕度、焓等狀態(tài)參數(shù)，計(jì)算結(jié)果如表2所示，表中ta為干球溫度，tl為露溫度。

表2　實(shí)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果

圖4　實(shí)驗(yàn)中的空氣狀態(tài)處理過程

在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生親自操作實(shí)驗(yàn)臺，通過實(shí)驗(yàn)觀察、學(xué)習(xí)和數(shù)據(jù)處理，調(diào)動學(xué)生思考，對空氣溫度、露點(diǎn)溫度、相對濕度、水蒸氣分壓力等參數(shù)的本質(zhì)概念，以及參數(shù)之間的耦合關(guān)系獲得深入認(rèn)識，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，取得良好的實(shí)踐教學(xué)效果。

4　結(jié)語

針對建環(huán)專業(yè)學(xué)生對空氣狀態(tài)參數(shù)的測試原理及耦合關(guān)系的知識點(diǎn)掌握不佳等問題，本文以教學(xué)型冷鏡式光電露點(diǎn)儀為實(shí)驗(yàn)平臺，開發(fā)了空氣狀態(tài)參數(shù)測定和簡單空氣處理過程實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，直觀展示空氣狀態(tài)的相變過程，調(diào)動學(xué)生主動思考，鞏固理論知識，將知識點(diǎn)巧妙地聯(lián)系起來，使學(xué)習(xí)過程更加系統(tǒng)化、直觀化、生動化，對教學(xué)質(zhì)量的提高起到了良好的促進(jìn)作用。

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Experimentalteachingdesignbasedonachilledmirrortypephotoelectricdew-pointmeter

WangWei,GeYijing,SunYuying,WuXu

(CollegeofArchitectureandCivilEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100124,China)

AimingattheproblemthattheHVACundergraduatestudentsaredifficulttounderstandthetestprincipleofairstateparametersandtheircouplingrelationship,ateachingchilledmirrortypephotoelectricdew-pointmeterwasusedasanexperimentalplatform,andanexperimentofairstateparametersdeterminationandsimpleairconditioningprocesswasdeveloped.Bymeasuringairdrybulbtemperatureanddewpointtemperature,otherstateparametercanbecalculated.Apracticalteachingapplicationcasewasshowed,whichwasapplicabletoHVACexperimentalteaching.AgoodtrainingplatformwasprovidedforHVACteaching,whichcanleadthestudentstounderstandthenatureoftheairstateparametersandthemeasurementprinciple,andtheteachingqualityandstudents'learninginterestareimproved.

airparametersdetermination;teachingexperiment;airconditioningprocess;photoelectrictechnology;dew-pointmeter

DOI:10.16791/j.cnki.sjg.2016.07.018

2015-11-17修改日期：2016-03-18

北京工業(yè)大學(xué)促進(jìn)人才培養(yǎng)綜合改革項(xiàng)目(4000543214552)；北京市教委科技計(jì)劃面上項(xiàng)目(KM201410005022)

王偉(1977—)，男，黑龍江，博士，教授，主要從事HVAC系統(tǒng)高效運(yùn)行與優(yōu)化控制研究.

E-mail：mrwangwei@bjut.edu.cn

TU831.1-33；G642.423

A

1002-4956(2016)7-0071-04

儀器設(shè)備研制與應(yīng)用