水-水熱泵創新實驗平臺的建設與探索

馬利敏 尚琳琳 郭 煜

中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院 北京 102249

水-水熱泵創新實驗平臺的建設與探索

馬利敏 尚琳琳 郭 煜

中國石油大學(北京)機械與儲運工程學院 北京 102249

為了提升能源與動力工程專業本科實驗教學水平，夯實學生理論基礎，提高其綜合素質，培養其創新意識與實踐能力，本專業依托工程熱力學實驗室探索建立了水-水熱泵本科創新實驗平臺。從實驗平臺的選擇與建設、實驗課題的多層次多方向設計、到學生素質的綜合培養等多方面進行了積極探索。

實驗教學；創新訓練；熱泵循環性能

為了滿足能源領域尤其是石油化工領域對能源與動力工程本科專業人才的需求，中國石油大學(北京) 于2007年成立熱能與動力工程本科專業，2008年著手進行本科教學實驗室的建設工作。在建設熱能與動力工程本科實驗室時，秉承學校“厚基礎、寬口徑、高素質、強能力”的人才培養理念，希望通過實踐教學，夯實學生理論基礎、提高綜合素質、加強創新意識與能力的培養。為此，專業決定依托工程熱力學實驗室建立一個能為學生提供創新、研究性實驗的高水平實驗平臺。

幾經商討，決定建立水-水熱泵創新實驗平臺，考慮如下。(1)熱泵裝置節能環保，在中低溫余熱回收和地熱資源利用等方面有著廣泛應用。石油化工領域的生產工藝中有大量余熱，同時還存在大量需要燃燒石油或天然氣進行加熱的工藝過程，所以熱泵作為節能降耗技術在該領域有著廣闊的應用前景。(2)熱泵裝置的主要組成部件壓縮機、換熱器(蒸發器、冷凝器)和節流閥都是本專業專業課中重點學習、工程實際大量應用的設備或元件，通過所建實驗平臺，可以幫助學生更好地掌握相關理論知識。(3)熱泵實驗平臺的測量系統將涉及典型的溫度、壓力、流量、功率等參數測量問題，控制部分涉及工程普遍應用的PID控制和可編程優化控制。這部分訓練將有力提高學生在熱工參數測量和自動控制方面的實踐能力。(4)熱泵裝置可研究的開放性課題較多，如新型環保工質包括含納米顆粒工質的熱泵循環性能研究、變頻壓縮機+電子膨脹閥的優化控制研究、工質在蒸發器和冷凝器相變換熱特性研究，結合工業余熱溫度及供熱溫度設計優化熱泵循環參數等，可為學生提供較多選擇。

如何憑借實驗平臺培養學生的創新意識與能力同樣是需要不斷探索與實踐的[1-5]。熱泵創新實驗平臺自2010年建成，已有4屆學生利用平臺完成創新實驗和本科畢業設計工作，現將建設過程中的一些經驗、體會與高校前輩和同仁分享，熱忱歡迎批評指正交流。

1 創新實驗平臺實驗課題設計

要使熱泵創新實驗平臺發揮最大作用，基于平臺所開設的實驗課題是關鍵。表1是本熱泵創新實驗平臺目前所開設的實驗課題。結合建設目標，在設計實驗課題時，我們考慮了以下幾方面。

表1 水-水熱泵創新實驗平臺實驗題目

1.1 綜合性

設計的實驗課題旨在幫助學生實現“知行合一”，使學生通過實驗掌握有關熱泵工作原理、循環性能影響因素與測試計算、壓縮機和換熱器效率測試計算以及涉及蒸發、冷凝相變換熱的換熱系數實驗方法與計算等知識。從而更牢固地掌握工程熱力學、傳熱學、換熱器原理與設計、熱工測試技術、熱工自動控制基礎等多門課程的專業知識，并且融會貫通，更深切體會到各門課程之間的聯系與作用。從表1可以看出學生年級越高，要完成課題難度越大，所需專業知識愈多。

1.2層次性

為了能夠使學生循序漸進地提高實踐能力和綜合素質，逐步加深和鞏固所學理論知識，針對2～4年級學生分別設計了適合其知識結構和難度的課題內容。并且注意到了高年級與低年級課題之間的良好延續性。序號為1，3，6的課題就是圍繞著新型熱泵工質方面的實驗研究，從常規熱泵工質如R134a到學生通過學習自主選擇環保工質如HFC245fa，HFE1234ze及混合工質等，再到研究含有納米顆粒如TiO2的環保工質的熱泵運行特性。這樣學生就有較為寬裕的時間將一個感興趣的課題進行深入研究，符合認知規律，利于學生成長。再有，像熱泵循環性能的動態特性和控制策略優化方面等難度較大課題就適合大四學生選擇研究。

1.3 多樣性

結合熱泵裝置研究前沿，從不同方向設置實驗課題，以滿足不同學生的興趣點。尤其在大學四年級時，由于學生知識結構更加完備，可以進行研究的角度就更多，如可以從新型工質、循環動態特性、控制策略、循環評價方法等方面開展工作。除此之外，還鼓勵學生基于實驗開展仿真研究，可以對熱泵循環性能有更為深入的理解，而且還可以顯著增強編程方面的能力。

1.4 前沿性

為了激發學生的探索精神以及社會責任感，所設計課題研究內容，都來自熱泵研究領域的熱點，像新型工質研究、納米顆粒對循環及設備性能影響、變頻+電子膨脹閥的控制策略優化研究等。

2 水-水熱泵創新實驗平臺組成

根據創新實驗平臺系列實驗需要，經多方努力，建立了水-水熱泵創新實驗平臺(如圖1所示)。實驗平臺主要由3個閉式循環系統、參數測量及數據采集系統、控制系統、制冷工質充灌系統等組成。3個閉式循環系統主要包括由板式蒸發器和冷凝器、電子膨脹閥、可變頻渦輪壓縮機、儲液罐和視液鏡等組成的工質循環系統；以及分別提供熱源和冷源的2套水循環系統。測試系統中，在換熱器和壓縮機進出口都配有鉑電阻溫度傳感器和壓力表，工質循環量由質量流量計測量，冷熱源水系統體積流量由渦輪流量計測量，配有功率表測量壓縮機功率。壓縮機頻率以及電子膨脹閥開度通過控制面板設定。溫度、流量以及功率數據由數據采集儀采集，可通過電腦現場監測并以Excel形式儲存。通過選用變頻壓縮機結合電子膨脹閥，可編程控制器、在工質側增設質量流量計、各關鍵設備進出口處布置溫度、壓力測點等設置，可為學生提供多樣化、高水平創新型研究課題。

圖1 水-水熱泵創新實驗臺

3 創新實驗平臺對學生的要求與培養

水-水熱泵創新實驗平臺是一個為學生提高素質、發揮潛力的實踐舞臺。為了切實達到“高素質、強能力”的預期目標，避免使創新實驗流于形式，一方面積極鼓勵、激發學生學習和實踐的興趣與潛力，并為其順利開展創新實驗提供條件；另一方面對學生提出明確嚴格的要求。

3.1 學生實驗前期培訓制度

水-水熱泵創新實驗平臺由多套系統組成，結構復雜，運行過程中需要監測的參數眾多，而且工質充灌、實驗啟停階段操作要點與正常運行時又有所不同。學生只有真正熟練掌握實驗平臺的組成與工作原理、操作步驟、測試與數據采集方法等知識，才能在創新實驗平臺上安全、順利地開展研究性實驗。為此，指導教師會對學生進行理論和實驗培訓，培訓完畢后，將進行筆試和口頭考試，只有考試合格者，才具有在創新實驗平臺開展實驗研究的資格。

3.2 例會與匯報單人負責制

為及時總結前期工作，明確和聚焦接下來的研究工作，也為增強交流，每周組織各年級創新實驗小組召開一次例會。為了讓學生重視匯報交流工作，保證效果，達到提高學生口頭表達、技術交流、學術報告寫作，以及制作PPT能力的目的，每個創新小組安排一位學生匯報，每個創新小組成員輪流完成匯報工作。

3.3 學生創新能力培養

在創新實驗中，為了培養學生，需要最大限度的放手。指導教師的作用主要是引導和把關：介紹創新實驗的研究背景、存在問題、研究目標，以及待解決的關鍵問題等，教授學生查閱整理文獻的科學方法以及相關學術期刊、研究機構網站，在學生遇到問題時給予適時指導。學生需自主完成實驗方案設計、實驗前期準備、實驗、數據分析和研究報告等工作。例如，新型工質篩選實驗，選擇何種新型工質，所要完成的實驗工況溫度，由學生決定；控制策略實驗中選擇何種控制策略，控制工況等由學生決定。創新實驗由于是開放式的，沒有標準答案，也很難界定最優，所以會帶給學生更多的期待與思考。實踐表明讓學生獨立自主承擔實驗工作，會顯著提高其工作熱情和積極性。

3.4 學生綜合能力培養

創新實驗平臺使學生在分工協作、實驗操作以及溝通等方面的能力都有所提高。本實驗平臺系統較為龐大，待測參數多，尤其在充灌工質和水系統時必須由多名學生配合完成，這就為鍛煉學生分工協作能力提供了很好的機會。而且，在記錄重要實驗數據時，兩名學生分別讀取，相互校檢；遇到問題時，通過討論相互啟發，更容易解決。每個實驗課題通常由3～4名學生共同完成。在實驗前后，需要完成熱電阻和體積流量計標定、系統抽真空、檢漏和充灌及回收工質、為水系統補水和排空氣等工作，這些工作很好的鍛煉了學生的實際動手操作能力，同時也讓他們體會到了即便是要擰好一顆螺絲釘也需要用心的樸素道理。在購買工質以及一些材料時，在某些設備或元件運行不暢需要與廠家技術人員溝通時，指導教師都有意識地讓學生參與部分工作，鍛煉學生的溝通能力。

4 結束語

實踐教學是培養學生的一個重要環節。本文介紹了在建設水-水熱泵創新實驗平臺時，從實驗平臺選擇與建設、實驗課題設計、學生素質培養等方面的工作與經驗。經過近幾年探索與嘗試，結果表明通過創新實驗，可以幫助學生夯實理論基礎、提高創新和實驗操作能力，初步掌握科學研究方法，培養學生嚴謹的科學態度和良好的團隊精神等綜合素質。要想實現“厚基礎、寬口徑、高素質、強能力”的培養目標，重視實驗實踐教學是一條必由之路，需要不斷的實踐與探索。

[1]何雅玲,陶文銓.對我國熱工基礎課程發展的一些思考[J].中國大學教學,2007(3):12-15.

[2]楊曉燕,錢偉興,陳寧.培養創新性人才的實驗教學體系與模式研究[J].實驗室研究與探索,2009,28(11):156-158.

[3]楊宏偉.強化實踐環節，促進研究性教學與素質教育相結合[J].實驗技術與管理,2007,24(1):14-16.

[4]周向東,張大志,王鐵光.改革實驗教學-培養學生的創新能力[J].東北大學學報:社會科學版,2000,2(3):220-222.

[5]曹付義,郭廣林.工科研究生創新能力培養存在的問題及解決對策[J].中國現代教育裝備,2015(231):125-127.

[6]尚琳琳,郭煜,馬利敏,李振林,姬忠禮.傳熱學實驗創新能力培養的探索與實踐[J].中國教育技術裝備,2014(18):144-145.

Construction and Exploration of Experimental Teaching Innovation Platform of the Water-water Heat Pump

Ma Limin, Shang Linlin, Guo Yu
College of Mechanical and Transportation Engineering, China University of Petroleum, Beijing, 102249, China

In order to improve the level of experimental teaching, strengthen the students' theoretical basis, improve the students' comprehensive quality and cultivate their creative consciousness and practice ability, the water - water heat pump innovation experiment platform has been established in engineering thermodynamics laboratory. In many aspects, such as selection and construction of the experimental platform, the multi-level and multi-direction design of the experimental subjects, and the comprehensive training of students' qualities, the positive exploration has been made.

experimental teaching; innovation training; heat pump cycle performance

2016-03-15

馬利敏，博士，講師。

本文系“中國石油大學(北京)青年教師專項培養基金”(編號：KYJJ20120415)；校級重點教改項目“工程熱力學課程體系建設”的研究成果。