組合式空調(diào)器綜合性教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的研發(fā)

杜娟麗， 程花蕊，劉群生

(河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院 食品工程系，鄭州 450011)

組合式空調(diào)器綜合性教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的研發(fā)

杜娟麗， 程花蕊，劉群生

(河南牧業(yè)經(jīng)濟(jì)學(xué)院 食品工程系，鄭州 450011)

教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備是實(shí)現(xiàn)良好實(shí)踐教學(xué)效果的基礎(chǔ)條件，是提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生思維能力、增強(qiáng)實(shí)操技能的重要保障。為了提高空調(diào)專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量，基于特定空間空氣參數(shù)要求，研發(fā)了一次回風(fēng)組合式空調(diào)系統(tǒng)綜合實(shí)驗(yàn)臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)冷卻、減濕、加熱、加濕等多種空氣處理過程，也可以實(shí)現(xiàn)空氣參數(shù)、液位、風(fēng)量控制等功能，為教學(xué)和科研提供了有效的實(shí)驗(yàn)條件，為CDIO工程教育新模式的“教、學(xué)、做”一體化教學(xué)系統(tǒng)的開發(fā)提供了有力保障。

組合式空調(diào)器；綜合性教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)；研發(fā)；CDIO模式

教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備是實(shí)現(xiàn)良好實(shí)踐教學(xué)效果的基礎(chǔ)條件，是提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、培養(yǎng)學(xué)生思維能力、增強(qiáng)實(shí)操技能的重要保障，直接影響著人才培養(yǎng)質(zhì)量。教育部相關(guān)文件強(qiáng)調(diào)，“要針對高等職業(yè)院校學(xué)生的特點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的社會(huì)適應(yīng)性，教育學(xué)生樹立終身學(xué)習(xí)理念，提高學(xué)習(xí)能力，學(xué)會(huì)交流溝通和團(tuán)隊(duì)協(xié)作，提高學(xué)生的實(shí)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(xué)者的重視[1-5]。CDIO模式，即“構(gòu)想—設(shè)計(jì)—實(shí)施—操作”，將產(chǎn)品的全過程作為平臺(tái)，使學(xué)生能以主動(dòng)的、實(shí)踐的、課程之間有聯(lián)系的方式學(xué)習(xí)和獲取工程能力、技術(shù)知識(shí)、終身學(xué)習(xí)以及與社會(huì)團(tuán)體交流合作的能力。目前很多專業(yè)、課程都在研究并應(yīng)用該教育理念[6-9]。但對于空調(diào)專業(yè)類工科專業(yè)，要想良好地實(shí)施CDIO模式，真正地將理論、實(shí)踐、創(chuàng)新有機(jī)地結(jié)合在一起，必須借助于有效的教學(xué)方法和良好的教學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)備。

因此，基于空調(diào)專業(yè)課程的內(nèi)容及特點(diǎn)，以培養(yǎng)學(xué)生的獨(dú)立思考問題能力、實(shí)踐動(dòng)手能力、創(chuàng)新能力和提高學(xué)生的職業(yè)素質(zhì)為目標(biāo)，自行研發(fā)了一套小型綜合性[10]組合式空調(diào)器教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)冷卻、減濕、加熱、加濕等功能，同時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)空氣溫/濕度參數(shù)控制、液位控制、新回風(fēng)混合中風(fēng)量控制等功能，有效地將空氣調(diào)節(jié)、制冷原理與設(shè)備、熱工檢測儀表及自動(dòng)控制等多門課程的內(nèi)容相融合，將課程中比較抽象的理論知識(shí)轉(zhuǎn)化成可視的、直觀的物理過程，以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。此外，以產(chǎn)品研發(fā)過程為依托，設(shè)計(jì)了一套CDIO工程教學(xué)模式[11]，開發(fā)了一套邊學(xué)習(xí)、邊設(shè)計(jì)、邊制作的“教、學(xué)、做”一體化的教學(xué)流程，以提高學(xué)生的理論知識(shí)應(yīng)用及實(shí)踐能力和創(chuàng)新能力，為教學(xué)實(shí)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(diào)器綜合性教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的設(shè)計(jì)

基于組合式空調(diào)器的工作原理如圖1所示。

圖1 一次回風(fēng)有再熱空氣處理過程

夏季：狀態(tài)點(diǎn)為W的室外環(huán)境空氣和狀態(tài)點(diǎn)為N的空調(diào)室內(nèi)空氣混合，將混合后的空氣狀態(tài)點(diǎn)C經(jīng)過冷卻器冷卻除濕后達(dá)到機(jī)械露點(diǎn)L，然后，將L狀態(tài)的空氣送入室內(nèi)，吸收室內(nèi)的余熱量和余濕量后變?yōu)槭覂?nèi)空氣狀態(tài)點(diǎn)N，重新進(jìn)入循環(huán)，從而確保室內(nèi)的溫、濕度要求。

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

可見，組合式空調(diào)器主要由制冷裝置、加熱裝置、加濕裝置、風(fēng)機(jī)和控制系統(tǒng)組成。由于該套設(shè)備主要應(yīng)用于教學(xué)，因此，整套設(shè)備的結(jié)構(gòu)、原理應(yīng)滿足可視化，每種設(shè)備的功能不僅具有獨(dú)立可操作性，而且可實(shí)現(xiàn)多種設(shè)備的組合匹配工作，達(dá)到空氣的溫、濕度控制要求。

1.1 外殼設(shè)計(jì)

根據(jù)教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的應(yīng)用要求，外殼要滿足以下四點(diǎn)要求：(1)應(yīng)是透明的，可以使學(xué)生直觀地看到內(nèi)部的系統(tǒng)設(shè)備及觀察空氣處理過程的工作原理；(2)該材料應(yīng)具有一定的強(qiáng)度和硬度，具有一定的支撐能力；(3)材料應(yīng)具有一定的耐熱性能，可以承受箱體內(nèi)加熱器產(chǎn)生的熱量影響;(4)價(jià)格便宜。綜合考慮以上四點(diǎn)要求，經(jīng)過篩選，本實(shí)驗(yàn)臺(tái)選擇了PS有機(jī)板。板材連接處的骨架采用鋁合金，一面設(shè)有對開門，以便于維修。

1.2 內(nèi)部空氣處理設(shè)備的選型

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

1.2.1 制冷設(shè)備的選型

制冷設(shè)備主要應(yīng)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(diǎn)W的干球溫度tw、濕球溫度ts,w及室內(nèi)狀態(tài)點(diǎn)N的干球溫度tN、相對濕度φN，在h-d圖上分別確定點(diǎn)W和點(diǎn)N位置，查取兩點(diǎn)對應(yīng)的焓值hw，hN。由ε=∞，可在h-d圖上確定機(jī)械露點(diǎn)L，并查取焓值hL。從而設(shè)定空間的送風(fēng)量G可確定為：

(1)

根據(jù)設(shè)定空間要求選取最小新風(fēng)量GW，計(jì)算回風(fēng)量GN。

由能量守恒可確定混合狀態(tài)點(diǎn)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(diào)節(jié)及各環(huán)節(jié)的冷量損失，設(shè)備的安全余量，在計(jì)算結(jié)果的基礎(chǔ)上乘以相應(yīng)的修正系數(shù)，便可選擇出合適的制冷設(shè)備型號(hào)。

1.2.2 加熱設(shè)備的選型

加熱設(shè)備主要應(yīng)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(diǎn)W′，查取其焓值為hW′。由于冬季的新、回風(fēng)比與夏季相同，則冬季混合狀態(tài)點(diǎn)C′的焓值為：

(4)

根據(jù)計(jì)算結(jié)果在h-d圖中可確定點(diǎn)C′?？紤]該實(shí)驗(yàn)裝置是設(shè)置于室內(nèi)，C'對應(yīng)的溫度往往高于機(jī)械露點(diǎn)L的溫度，因此，可過點(diǎn)C′直接做等溫線與NL線相交，進(jìn)而確定噴蒸汽加濕后的終狀態(tài)點(diǎn)E，讀取其焓值hE。

根據(jù)冬季設(shè)定空間的熱負(fù)荷Q′，風(fēng)量G，由

(5)

可確定冬季的送風(fēng)狀態(tài)點(diǎn)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(hào)。由于本實(shí)驗(yàn)設(shè)備比較小，加熱設(shè)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(shí)驗(yàn)臺(tái)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(diǎn)C′和點(diǎn)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(nèi)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(jīng)的寬度等參數(shù)來確定。

1.2.4 風(fēng)機(jī)的選型

風(fēng)機(jī)的型號(hào)與風(fēng)量和壓損有關(guān)。對于實(shí)驗(yàn)臺(tái)來講，由于控制空間的區(qū)域非常小，所需風(fēng)量也比較小，對于相應(yīng)風(fēng)量的風(fēng)機(jī)全壓無法克服風(fēng)系統(tǒng)中最大壓損的要求。因此，風(fēng)機(jī)在選型時(shí)，實(shí)際選擇的風(fēng)機(jī)型號(hào)會(huì)比理論型號(hào)大很多。但為了使輸送風(fēng)量滿足要求，在風(fēng)道中需設(shè)置風(fēng)閥，以便按要求調(diào)節(jié)風(fēng)量大小。

1.3 控制柜的制作

1.3.1 控制設(shè)備選型

根據(jù)組合式空調(diào)器的控制要求，需要檢測的參數(shù)有設(shè)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(fēng)溫度、壓縮機(jī)的吸/排氣壓力等；需要控制的設(shè)備有制冷設(shè)備、冬季空氣再熱用加熱設(shè)備、空氣加濕用加熱設(shè)備、送風(fēng)風(fēng)機(jī)、補(bǔ)水電磁閥等；另外，還要考慮到主令開關(guān)數(shù)量、顯示信號(hào)數(shù)量等。計(jì)算出輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的數(shù)量，考慮適當(dāng)?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(shè)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(dá)到組合式空調(diào)器的控制要求。

1.3.2 控制柜的制作

控制柜的制作重點(diǎn)在控制面板的設(shè)計(jì)、制作以及控制柜內(nèi)控制元件的布局?？刂泼姘迳显O(shè)有緊急停止按鈕、啟動(dòng)/停止按鈕；設(shè)有電源指示燈、壓縮機(jī)工作狀態(tài)指示燈、空氣再熱用加熱設(shè)備工作狀態(tài)指示燈、空氣加濕用加熱設(shè)備工作狀態(tài)指示燈、送風(fēng)風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)指示燈、補(bǔ)水電磁閥工作狀態(tài)指示燈、壓縮機(jī)高壓報(bào)警指示燈；顯示儀表設(shè)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?？删幊绦蚩刂破鳌⒃O(shè)備驅(qū)動(dòng)繼電器等安裝在控制柜內(nèi)。

2 組合式空調(diào)器的功能

通過以上設(shè)計(jì)、計(jì)算、選型、安裝及調(diào)試，該組合式空調(diào)器實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)以下實(shí)驗(yàn)：

1)風(fēng)量的測定實(shí)驗(yàn)

使學(xué)生感性地認(rèn)識(shí)到風(fēng)量的調(diào)節(jié)過程，熟悉一些熱工測量儀器設(shè)備的功能及使用方法。

2)干、濕球溫度的測量與露點(diǎn)溫度的測量實(shí)驗(yàn)

通過該實(shí)驗(yàn)設(shè)備可不斷地改變測量條件，測量不同的溫度結(jié)果，使學(xué)生對比、分析自己測量的數(shù)據(jù)，從而加深學(xué)生對濕球溫度、露點(diǎn)溫度等抽象概念的理解及應(yīng)用。

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

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

4)空氣處理過程的控制實(shí)驗(yàn)

在控制柜的觸摸屏上設(shè)有壓縮機(jī)運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控畫面，可以實(shí)時(shí)顯示壓縮機(jī)的啟/停狀態(tài)、吸/排氣壓力數(shù)據(jù)；設(shè)定空間溫度、濕度監(jiān)控畫面可以實(shí)時(shí)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(shí)時(shí)顯示加熱器的開、停狀態(tài)；空氣加濕用加熱設(shè)備工作狀態(tài)監(jiān)控畫面可以實(shí)時(shí)顯示加熱器的開、停狀態(tài)；送風(fēng)風(fēng)機(jī)工作狀態(tài)監(jiān)控畫面可以實(shí)時(shí)顯示風(fēng)機(jī)的開、停狀態(tài)；補(bǔ)水電磁閥工作狀態(tài)監(jiān)控畫面可以實(shí)時(shí)顯示電磁閥的打開、關(guān)閉狀態(tài)。觸摸屏畫面直觀、清晰、實(shí)時(shí)顯示。通過由表及里的引導(dǎo)和啟發(fā)，讓學(xué)生掌握實(shí)現(xiàn)每一個(gè)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(xué)生掌握其控制原理。

3 結(jié)束語

基于一次回風(fēng)空氣處理過程研發(fā)的小型綜合組合式空調(diào)器教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)，具有占地面積小，操作靈活，直觀性強(qiáng)的特點(diǎn)，而且成本較低，可有效降低學(xué)校的實(shí)驗(yàn)設(shè)備投入。除此之外還可實(shí)現(xiàn)以下價(jià)值：(1)小型綜合組合式空調(diào)器教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)可以完成多項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，增強(qiáng)了知識(shí)的綜合性[12]、實(shí)踐性和創(chuàng)新性。(2)小型綜合組合式空調(diào)器教學(xué)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的研發(fā)實(shí)現(xiàn)了空氣調(diào)節(jié)等課程的CDIO工程教育新模式的開發(fā)，深入實(shí)踐了CDIO工程教育新模式的“教、學(xué)、做”一體化的教學(xué)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(jīng)濟(jì)學(xué)院教研基金資助項(xiàng)目(MJG20140207)。

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

TB657.3

A

10.3969/j.issn.1672-4550.2015.01.067