教学实验“颗粒结构对表观导热系数的影响”的创新设计

蔡姗姗，李旭，刁广琦

（1.华中科技大学 能源与动力工程学院，湖北武汉 430074；2.华中科技大学 中欧清洁与可再生能源学院，湖北武汉 430074；3.中铁第四勘察设计院集团有限公司建筑院暖通所，湖北武汉 430074）

1 背景

1.1 地源热泵的发展需求

地源热泵技术应用浅层地热能实现对建筑的制冷与供暖，是一项高效节能的空调技术。 在《地热能开发利用“十三五”规划》中明确指出，十三五期间，需大力推广浅层地热能利用，新增地热能供暖（制冷）面积11亿平方米，到2020年，实现地热供暖（制冷）面积累计达到16 亿平方米，地热能供暖年利用量4 000 万吨标准煤的目标。 在地热产业的重大项目布局中，以重庆、上海、 武汉等城市为中心的长江经济带地区被列为浅层地热能供暖（制冷）项目的重点发展对象。

在闭式地源热泵系统中，流体介质通过竖直、水平或其他类型的地埋管换热器与土壤进行换热，将人居环境中的冷、热负荷导入基本处于恒温带的地下空间。地埋管换热器是地源热泵系统的核心部件，对地下换热能力的精确计算和精准预测可极大程度上影响地埋管换热器的优化设计，进一步在保证系统性能的基础上实现初始投资成本的降低。 土壤的热物性参数导热系数是影响地下换热计算的重要参数之一。

1.2 颗粒结构对土壤导热系数的影响

孔隙率是现有宏观研究中常用来描述土壤的结构参数，然而，仅有孔隙率并不足以反映土壤的结构特征，颗粒尺寸、颗粒分布、颗粒粒径比同样会导致多孔体物性参数的变化。 运用瞬态导热系数测量方法[1]，分析不同颗粒结构对土壤导热系数带来的差异性，有助于对地下换热的理解和大尺度下实地测试方法的修正。

1.3 商业化装置的“黑箱”操作

商业化的导热系数测量装置价格高、全封装、且同样需要利用标准物质进行校准和标定。 这种直接使用商业化装置的教学工作类似于“黑箱”操作，学生看不到探头内部结构，不清楚瞬态计算流程，较难理解土壤热物性测量的基本原理。同时，土壤或岩土颗粒通常对探头有一定的磨损，高成本、全封装的测试仪器损坏后无法自行修复，只能找设备厂家替换探头，造成教学资金上的浪费。 相比之下，自行设计制作的测试仪器，有助于现有教学实验的开展以及后期实验内容上的扩展。

1.4 教学实验发展趋势

在传热学的本科教学工作中，材料导热系数的测定几乎是所有学校都会安排的基础教学实验。然而，结合专业课的实际应用，并启发学生通过不同测试手段、不同测试样本，辨识影响测试结果的主要因素和变化规律，在本专业现有实验课程训练中较为缺乏。此外，本科实验中，还需开展一些能结合地方特色及本专业热点、前沿问题的实习或实验项目，加强教学实验与实际应用的联系，提升学生对实验课程的兴趣，在帮助学生巩固基础知识、掌握基本技能的同时，实现对创新型人才的培养。 因此，本文紧密结合湖北省现有发展趋势，提出一种创新型专业实验课程，在专业测试技术的基础上进一步开发与实际应用需求相结合的实验项目，可从基础巩固、方法探究和数据分析多方面进行训练，同步提升学生的理论水平、实验技术和逻辑分析能力。

2 实验课程关键装置

本实验课程中的关键装置为一套自主研制的教学用探针型导热系数测量仪。 建成的探针型导热系数测量仪的实物照片及测试系统照片参见图1和图2。 该测试仪可利用瞬态热线法实现土壤等多孔体的局部导热系数测量。测量仪的具体技术指标如下：机箱尺寸为20cm（长）×27cm（宽）×20cm（高），探针尺寸为手柄长：75mm（手柄长）+90mm（不锈钢管长），直径12mm，延长线270mm。 仪器测量精度为10%，测量范围为0.28 至0.6W/m-K（可有所扩展，但在该范围内所测数值较为准确），温度范围为15-50℃可有所扩展，但在该温度范围内所测数值较为准确）。 测量过程中的电压要求为：在设定的电压值下，热探针在1000s 内的升温不超过10K。 测量样本的尺寸要求为：在测量液体或者固体小颗粒时，盛放样品的容器体积需满足容器底部直径不小于50mm，容器高度为（200±30）mm。

图1 探针型导热系数测量系统及测量仪

图2 测试过程与测量样本

本实验课程中的关键软件为一套自主开发的可视化测控平台。通过LabVIEW 构建的测控系统对测量仪的运行及调控情况进行可视化展示[2,3]，其前台界面既可清晰地显示测量进度，同时可对各状态的重要参数进行实时更新，实验测试数据可通过记录界面进行多模式记录与文本输出。 测控平台参见图3。

图3 可视化测控平台

3 实验测试流程

（1）颗粒结构测试样本制备[4,5]。

（2）颗粒结构特征及其表观导热系数测量：根据探针型导热系数测量仪的测量要求开展其热物性参数测量。

（3）饱和及半饱和颗粒结构测试样本制备及其表观导热系数测量[4,5]。

（4）数据计算和影响分析：量化颗粒结构主要参数（孔隙率、平均粒径、粒径偏差、分形维度等）及饱和度对颗粒结构表观导热系数的影响，通过敏感性分析确定各因素的影响程度[4-6]。

（5）整理实验报告。

4 创新点

（1）传统教学实验项目的低成本扩展与可视化监测。

自主制作的探针型导热系数测量仪可替代市场中价格较高的现有仪器，降低成本；同时，提供探针内部结构展示及传感器布置的观测，消除“黑箱”结构，加强教学过程中的可观察性，增进学生的理解与兴趣。

（2）颗粒结构对宏观表观热物性参数的影响辨识。

拓展颗粒结构对表观热物性参数的影响分析，辨识除孔隙率之外的结构参数，如颗粒尺寸、粒径分布、粒径比等参数的影响。学习敏感性分析方法，结合样本制备和实验测试加深对结构参数及影响因素分析过程的理解，在巩固理论知识的同时，掌握科学研究方法与思路。 此外，还可拓展运用稳态测量方法，进行不同测试方法在测量过程及测试结果上的对比分析，强化学生的动手、观察与分析能力。

5 结语

本文提出一项适用于能源与动力工程类、 制冷与低温工程专业学生的教学实验项目。 通过自主研制的探针型导热系数测量仪与测试平台，实现颗粒结构对表观导热系数影响的教学实验构建。 实验课程关键装置为自主研制的热探针导热系数测量仪，关键软件为自主开发的可视化测控平台。 探针型导热系数测量仪可替代市场中价格较高的现有仪器，降低成本；同时，提供探针内部结构展示及传感器布置的观测，消除“黑箱”结构，加强教学过程中的可观察性。 本项目研发的实验装置结合地方特色及本专业热点问题，测试项目由浅入深，测试过程可视化强、参与度高，且与新能源应用背景紧密联系，丰富了制冷专业学生的专业实验内容，增强学生的理论理解和研究兴趣。