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熱工實驗教學體系的完善及實施建設方向

熱工是工程熱力學與傳熱學的簡稱。其中工程熱力學主要是研究熱力學機械的效率和熱力學工質參與的能量轉換在工程上的應用，如將熱力學能轉化成機械能推動動力機械做功以及其效率的學科，再如，空調將機械能轉化成熱力學能等；而傳熱學是研究熱量傳遞的一門學科，如反應堆的導熱，對流換熱，輻射能的傳遞等。熱工主要應用于熱能與動力工程，核能科學與工程,熱加工工程等方面，還應用于非工程方面。以《國家中長期教育改革和發展規劃綱要》指出的創新人才培養的“三個注重”：注重學思結合，注重知行統一，注重因材施教，為理論指導，遵循實踐教學規律，進行了熱工實驗課程建設研究與探索。
一、梳理實驗項目，完善實驗教學體系
通過調研清華大學、浙江大學、上海理工大學、哈爾濱工業大學等知名院校能源動力類國家級實驗教學示范中心及熱工實驗課程建設現狀，對比我校熱工實驗建設，梳理實驗項目，完善熱工實驗教學體系。結合調研及新的人才培養方案修訂，對熱工實驗應開設的實驗項目進行梳理，將實驗項目分為基礎實驗和綜合性設計性實驗，其中基礎實驗分別必做8學時（2個工程熱力學實驗項目4學時、2個傳熱學實驗項目4學時），選作計劃內8學時，綜合性設計性實驗8學時（引進國外實驗臺），課外選作4學時（引進國外實驗臺），形成了新版熱工實驗教學大綱。通過以上梳理，豐富了實驗內容，增加了學生選擇實驗的余地，滿足不同學生的需求。
二、引進國外的先進的實驗平臺，更新陳舊實驗設備
從英國和美國引進了先的熱交換實驗平臺、傳熱基礎實驗平臺，內燃機動力實驗系統、蒸汽輪機發電系統等綜合實驗教學設備。
1.熱量交換基礎實驗平臺。該實驗平臺主要由通用換熱器實驗平臺、10種換熱器選件及數據采集系統組成。
多種形式的換熱器選件可共用一個實驗平臺。測量儀表能檢測多達12個溫度測點和冷熱流體流量，可以進行所有相關的傳熱計算；學生可以在無人監督的情況下進行實驗。
2.傳熱基礎實驗平臺。包括通用傳熱實驗臺，15種實驗模塊，數據采集系統等。可進行傳導、對流、輻射實驗，穩態和非穩態傳熱實驗，液體和氣體傳熱實驗，自由對流和強迫對流情況下，平板、針板、翅板傳熱實驗等。
3.內燃機動力實驗系統。內燃機實驗臺在不同燃料噴射量的情況下，可研究內燃機的扭矩和轉速、功率和轉速、熱效率等性能參數；各內燃機模塊化設計，可快速拆卸和安裝；可選配件包括計算機數據采集系統。
可進行在不同的燃料噴射量的情況下，測量并繪制內燃機輸出扭矩和轉速、功率和轉速曲線；在轉速不變時，測量在不同輸出功率時的燃料消耗率；在不同的燃料噴射量的情況下，測量燃料空氣配比和內燃機的熱效率；研究在不同轉速時內燃機的摩擦損失等4項實驗。
4.蒸汽輪機動力發電試驗系統。該套設備可進行熱力學第一定律及能量轉換關系研究；熱力學第二定律及熱力循環分析研究；控制量大小分析研究；熵分析研究；等熵分析及透平/噴嘴效率研究；傳熱分析及鍋爐效率研究等實驗，使學生掌握蒸汽動力系統燃燒過程，蒸汽能源系統基本原理，發電基本原理，實驗與數據采集技術等。以上實驗設備可以開發出新的實驗項目，如熱交換器換熱性能實驗、熱平衡實驗、輻射強度實驗、反射強度實驗、斯特林發動機原理實驗、內燃機性能實驗、朗肯循環原理實驗、蒸汽輪機發電系統性能實驗等發綜合性、設計性實驗項目，該實驗設備做成模塊化設計，學生可根據不同的實驗選擇不同的通用設備、采集系統及實驗模塊進行實驗，充分發揮學生的自主能力，培養了學生的動手能力和創新能力。引進國外先進的教學試驗設備后，學生對新的實驗設備及實驗項目產生濃厚的興趣，爭相選做新的實驗，取得良好的教學效果。
三、熱工設備的基本介紹

MYR-53 熱工自動化儀表實訓平臺

一、熱工自動化儀表實訓平臺,熱工自動化儀表實訓裝置,熱工自動化儀表實訓設備概述：
本裝置的設計結合了目前大中專院校《化工測量及儀表》、《檢測技術及儀表》、《熱工自動化及儀表》、《非電量測量與控制技術》、《過程控制》等課程實訓大綱的要求。通過該實訓裝置的使用和學習，學生能夠掌握有關化工儀表及自動化的基本知識，對有關儀表的安裝、調試及使用有一定的了解，并對化工生產中如何進行液位、溫度、壓力和流量等參數的自動化控制有基本的認識。
二、熱工自動化儀表實訓平臺,熱工自動化儀表實訓裝置,熱工自動化儀表實訓設備系統特點：
1、對象系統為不銹鋼框架，所有器件均為不銹鋼和鋁合金設計,傳感器的二次測量儀表安裝在對象上，方便學生在現場進行各項操作,可實現對化工行業的四大常用熱工參數的檢測，而且每種變量的檢測傳感器類型均為兩種以上，以及每種類型傳感器、變送器的測量精度也不相同，可以進行相關的校驗,控制箱中所有的儀表均可以通過RS485通訊線與計算機建立通訊關系，可以更加直觀的看出兩種不同檢測機構精度等各方面的區別,對象系統設計美觀，開放性好，為學生實訓提供了一個較好的實訓對象
2、軟件介紹:MCGS工控組態軟件能夠對設定值、輸出值、P、I、D及各類可寫參數進行操作，還可修改程序算法，觀看動態變化棒圖顯示、測量值實時曲線、歷史曲線、數據報表等,上位機監控軟件及OPC服務器軟件通過上位機監控軟件，可實現四通道檢測數據實時曲線的繪制，另通過OPC服務器軟件可直接掛接到MCGS組態軟件OPC服務器上，可直接將本無紙記錄儀通道數據在組態軟件中組態開發。
三、熱工自動化儀表實訓平臺,熱工自動化儀表實訓裝置,熱工自動化儀表實訓設備技術性能：
1、輸入電壓：單相三線～220V±10% 50HZ
2、工作環境：環境溫度范圍為-5℃～+40℃ 相對濕度＜85%（25℃）海拔＜4000m
3、整體尺寸：2000×800×1750MM
4、裝置容量：＜3Kva
四、熱工自動化儀表實訓平臺,熱工自動化儀表實訓裝置,熱工自動化儀表實訓設備系統組成：
1、被控對象（鋁框架）：
2、動力系統：1套
3、有機玻璃水箱：2套
4、儲水箱：1套
5、液位檢測三路：擴散硅壓力變送器、電容式壓力變送器和擴散硅差壓變送器
6、流量檢測三路：電磁流量計、渦輪流量計和孔板流量計
7、壓力檢測兩路：電容式差壓變送器和管道靜壓變送器
8、溫度檢測三路：2路PT100熱電阻和Cu50熱電阻
9、電動調節閥：1套
10、閥門：若干
控制系統
11、對象控制箱:1套
12、智能調節儀：2個
13、流量積算儀：1個
14、無紙紀錄儀：1個
15、開關電源：1個
16、漏電保護器：1個
17、控制開關：2個
五、基本實訓項目：
1、實訓裝置的結構組成和系統認識
實訓系統認識
實訓裝置硬件組成
實訓系統軟件介紹
離心泵的工作原理及特性認識
離心泵的工作原理和主要部件
離心泵的性能參數和特性曲線
電動調節閥的工作原理及特性認識
電動調節閥工作原理概述
調節閥的流量特性測試
電動調節閥的流量系數
電動調節閥的主要技術指標
2、儀表的認識及使用
智能調節儀的認識和使用
流量積算儀的認識和使用
無紙記錄儀的認識和使用
傳感器工作原理認識及使用
渦輪流量計的工作原理認識和校驗
電磁流量計的工作原理認識和校驗
孔板流量計的工作原理認識和校驗
電容式液位傳感器的工作原理認識和校驗
擴散硅液位傳感器的工作原理認識和校驗
差壓液位傳感器的工作原理認識和校驗
電容式差壓變送器的工作原理認識和使用
擴散硅壓力變送器的工作原理認識和使用
Pt100鉑熱電阻的工作原理認識和使用
Cu50銅熱電阻的工作原理認識和使用
傳感器的零點和遷移
智能調節儀表的認識和操作
流量積算儀的認識和操作
無紙記錄儀的認識和操作
3、自動控制
單回路與串級控制系統概述
水箱液位定值控制
管道壓力定值控制
管道流量定值控制
孔板流量定值控制
管道批量流量控制
加熱水箱溫度定值控制
無紙記錄儀現場實時曲線察看
MCGS工控組態軟件組態和控制
四、多媒體與網絡技術應用于實驗教學
開發了熱工實驗教學管理系統，建設實驗教學網站，通過網絡進行教學和管理。同時開發了實驗教學資源，如開發了熱電偶綜合訓練、噴管實驗、沸騰換熱實驗等虛擬仿真實驗軟件，錄制了相關教學視頻、開發了熱工實驗多媒體教學課件等，豐富了網上教學資源，使學生在做實驗之前在網上進行實驗原理學習，設備儀器使用，虛擬實驗操作等，完成預習任務，使學生在做實驗之前掌握了實驗內容及儀器設備使用方法，能夠獨立快速完成實驗，并獲得準確的實驗結果。
五、加強過程監控、注重自主實驗
通過教學管理系統結合網站教學資源，通過過程監控強化預習環節。注重實驗過程，突出學生主體，變教師輔導為教師巡查監督，幫助解決主要問題，實現自主實驗。開發實驗數據處理軟件，注重實驗結果考評，現場評定實驗結果的對錯、實驗結果誤差。對于必做的熱工實驗的4個實驗項目先后開發了實驗數據處理軟件，可對學生測試的實驗結果進行現場處理，及時發現學生實驗中的問題，直至全部解決為止。
六、改革熱工實驗教學模式與考核方式
采用學生自主選擇實驗項目，自主預習，自主進行實驗的教學模式。學生充分利用教學課件、虛擬實驗、教學視頻等網絡資源進行課前預習，然后預約實驗，自行組成實驗小組，到實驗室相互協作共同完成現場實驗，分發揮學生積極性、主動性，重點培養學生實際操作、發現問題、解決問題的能力。改變以往單一的只以實驗報告定成績的考核方式，采用1+5+4考核方式，注重實驗過程的考核，其中預習占總成績的10%，現場操作占總成績的50%，實驗報告占總成績的40%。
七、結論
通過不斷地進行熱工實驗課程建設研究與實踐，逐步形成了加強過程監控強化預習環節；注重實驗過程，突出學生主體，實現自主實驗；注重實驗結果考評，現場評定實驗結果的熱工實驗教學特色。研究成果已應用于熱工實驗教學中，每年使得我校四個學院相關專業二十多個本科生班受益，經過實踐，教學效果良好。

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