以制冷循環為例突出實驗在工程熱力學教學中的重要性

高蓬輝　張東海　王義江　黃煒

摘要：實驗教學是工程熱力學學習中的重要環節，是連接理論學習和工程應用的重要紐帶。通過強化實驗教學，有助于學生對課堂學習知識的掌握和領會，達到學生向專業工程應用的逐漸過渡。本文以工程熱力學實驗教學中的制冷循環實驗為例，介紹了實驗教學過程中，將書本知識應用于工程實踐，在實踐中提升對知識的掌握，從而達到提高教學質量和實現培養創新型人才的目的。

關鍵詞：實驗教學；工程熱力學；教學改革

中圖分類號：G642.0 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2017）17-0263-02

實驗教學是高等學校實踐教學環節的基本內容，是培養基礎實、知識寬、能力強、素質高的創新型人才的主陣地，實驗教學對于提高學生的綜合素質、培養學生的創新精神與實踐能力具有重要的作用。通過實驗，增強學生的感性認識，使學生獲得一定的綜合分析能力，培養學生分析問題解決問題的能力。工程熱力學是研究熱能有效利用以及熱能和機械能等其他能量轉換規律及其應用的工程技術學科。工程熱力學概念多、內容抽象難懂、系統性和工程性強等特點，學生普遍學習感覺較難。為了促進學生的學習興趣和提高課堂教學質量，需要重視工程熱力學實驗教學在工程熱力學教學中過程中的重要性。筆者以工程熱力學實驗教學中的制冷循環為例，探討了實驗教學對工程熱力學的脾補助益。

一、制冷循環實驗

1.基本熱力過程。在工程熱力學實驗教學中，通常開展蒸汽壓縮制冷循環實驗。這個實驗的主要目的為：掌握蒸汽壓縮制冷循環系統的工作過程及原理；了解制冷壓縮機、節流膨脹裝置、蒸發器和冷凝器的結構和組成；掌握蒸汽壓縮制冷循環制冷系數的計算方法及提高制冷系數可采用的方法。該制冷循環中采用F12制冷劑，以毛細管為節流膨脹裝置，冷凝器為自然對流式，蒸發器亦為自然對流式。在制冷系統中，蒸發器、冷凝器、壓縮機和節流膨脹裝置是制冷系統必不可少的四大件，其中蒸發器是輸送冷量的設備，制冷劑在其中吸收被冷卻的熱量實現制冷。壓縮機是心臟，起著吸入、壓縮、輸送制冷劑蒸汽的作用。冷凝器是放熱設備，節流閥對制冷劑起節流降壓作用。

其工作過程為：首先制冷工質經過壓縮機壓縮至高溫高壓狀態，即1—2；高溫高壓的工質在冷凝器中將熱量釋放出去，即2—4；制冷工質經毛細管膨脹，壓力溫度降低，即4—5；低溫低壓的工質在蒸發器中吸收熱量，即5—1。由此完成一個完整的制冷循環，見圖1。對應于熱力學壓焓圖見圖2，1—2在壓縮機中的壓縮過程，為等熵壓縮；2—4在冷凝器中的放熱過程，為定壓放熱；4—5在毛細管中的膨脹過程，為節流過程（節流前后焓相等）；5—1在蒸發器中的吸熱過程，為定壓吸熱。

2.實驗中的參數測定。主要完成制冷系數和制冷量的計算。

二、實驗環節與課堂教學的統一

通過實驗環節，學生認識了制冷系統的基本組成和運行過程，了解了制冷系統部件在工作過程中的基本特點，能夠領會教師在課堂教學中對制冷系統的敘述和描繪。同時，經過實驗教學，學生能夠主動對制冷循環的工作過程提出自己的看法，尋找提高系統制冷效果的途徑。例如：教師以前在課堂上介紹完制冷循環后，提到如何改進或提高系統制冷量，夏天在高溫時，不要將室內空調溫度設定過低。學生在理解時，總是先去回想制冷系數的計算公式，然后才去認可，經過實驗教學后，學生能夠較好地理解這一原因。同時對制冷循環熱力過程圖中的定熵壓縮、定壓吸放熱以及節流過程有了更好的理解和體會。在此基礎上，教師將前面可逆過程、平衡態以及理想過程回串，學生將會對熱力學中的相關概念有著更深入的認識，提高了教學質量和教學效果。

通過對實驗內容及方式進行合理組織，鼓勵學生自己動手進行實驗組裝、調試試驗臺，在實驗過程中，與學生討論確定實驗方案、實驗測定參數以及實驗后的自我評議，進一步激發學生的學習興趣和創造力，提升學生分析問題、解決問題的能力。同時在課堂教學中注意與實驗教學中的統一、銜接，加深學生對所學知識的理解和掌握。

三、改進實驗教學方法和體系

工程熱力學作為一門專業基礎課，與工程實際密切相關。在教學過程中，需要有很多的工程問題作為背景。以教科書為單一內容的PPT演示，并不能滿足課堂學生學習的需要。筆者根據多年的教學心得，主要建議如下：（1）根據專業培養的需要，制定一些具有典型性的熱力學實驗，如制冷循環實驗、工質熱物性測定、絕熱節流效應測定等。（2）改進實驗組織模式。鼓勵學生自己動手開展目標性實驗，并進行實驗自我評議，發揮學生的主觀能動性，激發學生的學習興趣。（3）更新教學實驗設備，增添新的測試儀器和設備，不斷滿足學生對熱力學學習的要求。（4）構建虛擬實驗中心，隨著計算機及互聯網技術的不斷發展，同時為了解決實驗設備少，實驗時間受限的問題，建立遠程與虛擬實驗中心，可以滿足學生課后隨時學習、探索的需要。

參考文獻：

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