基于冷镜式光电露点仪的实验教学设计

王　伟， 盖轶静， 孙育英， 吴　旭

(北京工业大学 建筑工程学院， 北京　100124)



基于冷镜式光电露点仪的实验教学设计

王伟， 盖轶静， 孙育英， 吴旭

(北京工业大学 建筑工程学院， 北京100124)

针对建环专业本科生对于空气状态参数的测试原理及耦合关系缺乏了解等问题，以教学型冷镜式光电露点仪为实验平台，开发了空气状态参数测定和简单空气处理过程实验，通过测量空气干球温度和露点温度，计算其他状态参数，并展示了实践教学应用案例。该实验适用于建筑环境与能源应用工程及相关专业实践教学，为学生提供了良好的实验平台，让学生深入了解空气状态参数的本质概念及测定原理。

空气参数测定； 教学实验； 空气处理过程； 光电技术； 露点仪

保证良好的室内空气品质是建筑环境与能源应用工程专业的核心任务之一[1]。空气温度、湿度等作为湿空气的主要状态参数，是衡量建筑环境的重要指标，是建环专业学生应熟练掌握的基本参数[2]，也是专业主干课程“工程热力学”“空气调节”以及“热质交换原理与设备”教学的基础知识点[3-5]。

绝大多数学生通过理论学习，对空气状态参数有基本的概念认知；通过手持式电子温湿度仪、湿球温度计等测量实验，在一定程度上了解空气状态参数；但是，在教学中发现学生对空气状态参数的测试原理不清楚，对室内空气相对湿度、含湿量、湿球温度以及露点温度等参数之间的耦合关系也缺乏了解，不利于后期专业课程学习[6-7]。因此，有必要对现有的实验内容进行深化改革，提高学生对湿空气的相变过程认识，加强学生对测量结果的判断和分析能力[8]。本文以教学型冷镜式光电露点仪为实验设备，开发了空气状态参数测定和简单空气处理过程的创新实验。通过测量空气的干球温度和露点温度，并根据理论计算相应的空气其他状态参数，让学生将理论与实验结合，直观化地理解湿空气状态参数的测定原理，系统化地理解空气状态参数的本质概念及参数之间的联系，提高教学质量和学生的兴趣。

1　实验原理

湿空气的状态通常可以用压力、温度、相对湿度、含湿量及焓等参数来度量和描述，这些参数称为湿空气的状态参数。露点仪通过测量空气的干球温度和露点温度，计算其他状态参数[9-10]。

1.1.1具体计算公式如下

(1) 饱和水蒸气分压力计算公式[5, 11]：

(1)

式中：pq b为饱和水汽分压力(bar)；t为空气温度(℃)。

(2) 含湿量计算公式：

(2)

式中：d为湿空气含湿量(kg/kg)；φ为相对湿度(%)；B为空气总压力(实验室提供，B=1.013 25×105Pa)。

(3) 水蒸气分压力pq计算公式

(3)

(4) 相对湿度j计算公式

(4)

(5) 空气焓值计算公式

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

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

(5)

式中：i为湿空气的比焓(kJ/kg)；cp.g为干空气的定焓比热，常温下cp.g=1.01kJ/(kgK)；cp.q为水蒸气的定压比热，常温下cp.q=1.84kJ/(kgK)；2 500为0 ℃时水的汽化潜热(kJ/kg)。

1.1.2计算步骤

计算步骤如下：

(1) 由实验测得空气露点温度tB以及公式(1)，可求出空气状态点A饱和水蒸气分压力pqb；

(2) 由pqb,B、B点的相对湿度φB=100%以及公式(2)，可求出B点的含湿量dB；

(3) 由dB和公式(3)，可求出B点的水蒸气分压力pq,B；

(4) 由dB、B点的干球温度tB及公式(5)，可求出iB；

(5) 由于该空气处理过程为等湿冷却，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点的相对湿度φA；

(7) 测得A点的干球温度tA、dA及公式(5)，可求出A点的相对湿度iA。

2　实验台与原理

冷镜式光电露点仪核心部件为冷镜面、帕尔贴半导体制冷器、散热器、铂电阻、光电发射器和接收器。该仪具有操作简洁、效果直观且维护成本低的优点。实验台实物图见图1。实验台通过单片机进行逻辑控制，采用LED屏幕显示实验参数。

图1　实验台实物图

实验台原理图见图2。通过诱导风机，将环境空气从实验台左侧的进风口引入实验台测试段，经过冷镜面时被冷却降温；冷镜面在制冷器作用下温度逐渐降低，降至空气露点时冷镜面表面产生结露(霜)现象；结露(霜)后，冷镜面表面反射率发生变化，使得光电传感器的接收信号发生变化[12]，将信号变化传递给单片机，记录此刻铂电阻测得的冷镜面温度即为此时空气露点温度。

图2　实验台原理图

图3为焓-湿图上实验过程中空气状态的处理过程。A点为室内状态参数点，B点为A点对应的露点。室内空气进入测试段后，被“干冷却”直至结露(霜)，即由A处理至B的过程。

图3　空气状态处理过程

3　实验过程及结果

3.1实验步骤

(1) 预热。将仪器接通电源(220V)，并打开电源开关，预热5min;根据操作键(▲和▼)设置镜面预热温度，通过对镜面加热，清除镜面表面残余水分和结露(霜)，充分干燥镜面。设置完毕后，按Ent键开始加热镜面。

(2) 平衡。镜面加热到设置温度时开始对镜面制冷，观察显示屏上镜面温度变化，等待镜面温度T下降至干球温度；待镜面温度下降到干球温度时，界面显示平衡完成。按Ent键开始测量。

(3) 制冷。镜面制冷，制冷量的大小可以根据操作键(▲加快制冷速率和▼降低制冷速率)调节，等待镜面结露(霜)，在此期间可通过觇口观察镜面表面变化。

(4) 结露。当镜面开始结露(霜)即达到空气露点温度时，镜面产生结露(霜)现象，致使光电发射信号的反射率发生突变，此时镜面两端光电传感器接收信号发生变化，将信号传输到仪器内部单片机处理中心，单片机接收信号后，发出指令，停止制冷，镜面达到露点温度。

(5) 数据输出及整理。①镜面达到露点温度时，记录显示屏上显示的入口空气温度、镜面温度和出口空气温度。记录完数据后，按Ent键结束测量，显示界面上将出现“测量完成”字样，按Ent键将进入下一次的平衡；②反复3次测试过程，计算平均露点温度值，通过本文实验原理部分所提供公式及计算方法，计算出空气相对湿度、含湿量及焓等状态参数。在i-d图中查得相应的空气参数对计算结果进行校核。

3.2实验案例

表1为某次实验的测试数据，将3次测量结果取平均值，得到室内空气状态点(入口A点)干球温度tA为24.1 ℃，其对应的露点(镜面B点)干球温度tB为-7.83 ℃。实验中空气状态参数的处理过程在焓湿图上的表示见图4。

表1　实验测试数据

根据测试结果，依据前述计算步骤，采用公式(1)—(5)，计算A、B两点的水蒸气分压力、含湿量、相对湿度、焓等状态参数，计算结果如表2所示，表中ta为干球温度，tl为露温度。

表2　实验计算结果

图4　实验中的空气状态处理过程

在实验过程中，学生亲自操作实验台，通过实验观察、学习和数据处理，调动学生思考，对空气温度、露点温度、相对湿度、水蒸气分压力等参数的本质概念，以及参数之间的耦合关系获得深入认识，提高了学生的学习兴趣，取得良好的实践教学效果。

4　结语

针对建环专业学生对空气状态参数的测试原理及耦合关系的知识点掌握不佳等问题，本文以教学型冷镜式光电露点仪为实验平台，开发了空气状态参数测定和简单空气处理过程实验。实验中，直观展示空气状态的相变过程，调动学生主动思考，巩固理论知识，将知识点巧妙地联系起来，使学习过程更加系统化、直观化、生动化，对教学质量的提高起到了良好的促进作用。

References)

[1] 尚少文，郭海丰，马兴冠. 建筑环境与设备工程专业课程教学改革探讨[J]. 沈阳建筑大学学报：社会科学版，2011(2):249-252.

[2] 倪龙，姚杨. 建筑环境与设备工程专业人才需求及发展趋势[J]. 黑龙江教育：高教研究与评估版，2010(8):39-41.

[3] 廉乐明. 工程热力学[M]. 5版. 北京: 中国建筑工业出版社,2007.

[4] 连之伟. 热质交换原理与设备[M].3版. 北京: 中国建筑工业出版社,2011.

[5] 赵荣义，范存养，薛殿华. 空气调节[M]. 4版. 北京: 中国建筑工业出版社,2009.

[6] 谷士艳，孙清，敖永华，等. 建筑环境与设备工程专业实践教学改革探索[J]. 沈阳农业大学学报：社会科学版，2011,13(2):212-215.

[7] 熊军，刘泽华，罗清海，等. 工程应用能力的实验教学改革研究：以建筑环境与设备工程专业为例[J]. 高等建筑教育，2011(1):158-161.

[8] 付祥钊，邓晓梅，孙婵娟. 建筑环境与设备工程专业实践教学效果调查与分析[J]. 高等建筑教育，2009,18(1):16-21.

[9] 王伟，史辰，尚春鸽，等. 空气状态参数测试装置：中国，[P].2013-04-03.

[10] 陈焕新，包劲松，张春安，等. 确定空气状态参数的方法[J]. 流体机械，2000(5):61-63.

[11] 陆耀庆. 实用供热空调设计手册[M]. 2版.北京:中国建筑工业出版社,2008.

[12] 王永利. 光电耦合器的工作原理及检测[J]. 家电检修技术，2010(8):51-53.

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

北京工业大学促进人才培养综合改革项目(4000543214552)；北京市教委科技计划面上项目(KM201410005022)

王伟(1977—)，男，黑龙江，博士，教授，主要从事HVAC系统高效运行与优化控制研究.

E-mail：mrwangwei@bjut.edu.cn

TU831.1-33；G642.423

A

1002-4956(2016)7-0071-04

仪器设备研制与应用