中央空調教學(xué)模型的制作與演示

現高校開(kāi)設的《制冷設備與原理》《空氣調節》和《供熱工程》三門(mén)課程彼此相互獨立，各科目的核心知識自成體系，且各科目的教學(xué)明顯偏向于理論，學(xué)生很難將科目融會(huì )貫通?，F代樓宇的暖通空調系統將供熱、供冷和空氣調節結合成一體的發(fā)展趨勢越發(fā)明顯，工程實(shí)際中除要求對各科目知識熟練掌握外，更要求將各科目知識融會(huì )貫通。根據現高校畢業(yè)學(xué)生的反饋，現況中三門(mén)課程的綜合運用非常常見(jiàn)，但其綜合應用能力卻明顯不足。根據現狀，現制作半集中式中央空調教學(xué)演示模型。本文的意義首先是將模型制作過(guò)程中的經(jīng)驗提供給其他愛(ài)好模型制作的學(xué)生，然后將上述三門(mén)課程的核心知識綜合并依托模型各構件進(jìn)行展現。
1、空調運行原理和各構件的組成與功能
1.1 半集中式中央空調的運行原理
1.1.1 制冷原理
制冷循環(huán)簡(jiǎn)單地講就是將室內的熱負荷與濕負荷排至室外。為了使熱量可以不斷地排出，空調的制冷部分形成了一個(gè)*的熱工循環(huán)———蒸汽壓縮制冷環(huán)。
*，液體的汽化可以吸收周?chē)臒崃?，使周?chē)鷾囟冉档?。若將液體在常溫情況下快速汽化，就可以使周?chē)鷾囟冉档?。壓強的大幅度降低可以使液體快速地汽化，壓強的升高又可使氣體快速地液化，這樣就可以使制冷工質(zhì)進(jìn)行循環(huán)?？照{的制冷裝置就是利用的這個(gè)原理。
空調的制冷裝置主要是由壓縮機、冷凝器、膨脹閥和蒸發(fā)器組成。由蒸發(fā)器出來(lái)的飽和蒸汽被吸入壓縮機，壓縮后成為高溫高壓液體，液態(tài)冷凝劑進(jìn)入冷凝器后，冷卻成為常溫高壓液體。飽和液體通過(guò)一個(gè)膨脹閥降壓降溫而變成低干度的濕蒸汽。濕蒸汽被引入蒸發(fā)器后吸熱汽化變成飽和蒸汽，從而完成一個(gè)循環(huán)。這就是中央空調的制冷原理。
1.1.2 制熱原理
由于能量可以直接由高溫物體傳向低溫物體，所以中央空調的制熱裝置就是一個(gè)提供熱水的鍋爐。水由鍋爐加熱至適當溫度，由管道輸送至空調機箱，將能量與空氣交換，再輸送回鍋爐，完成制熱循環(huán)。
1.2 半集中式中央空調各構件的組成與功能半集中式中央空調基本是由壓縮機、冷凝器、蒸發(fā)器、空調機組、鍋爐和水泵組成。
該模型主要是反映中央空調的工作運行原理和各結構運行狀態(tài)，由于中央空調工作時(shí)主要以液體和氣體的循環(huán)為主，很少有結構的機械運動(dòng)。因此只要使中央空調系統中的四大循環(huán)演示得清楚，就可以輕松地了解中央空調的運行原理，且四大循環(huán)演示的核心在于演示各工作介質(zhì)在各結構中的流動(dòng)狀態(tài)。
在中央空調的四大運行循環(huán)介質(zhì)中，3 個(gè)為水，1個(gè)為制冷劑。模型中可以用4 種帶有不同顏色染料的水代表4 種循環(huán)介質(zhì)。這樣可以使觀(guān)察者簡(jiǎn)單明了地觀(guān)察4 種介質(zhì)的循環(huán)過(guò)程。
為使模型中液體流動(dòng)的方向更加明顯和突出，模型各結構中的管道采用透明材質(zhì)。此外，各結構的外圍制作材料也應該使用透明材質(zhì)材料。
2、模型制作材料的選取
2.1 實(shí)體模型制作材料的要求
根據模型演示思路，實(shí)體模型主體制作的材料要符合以下幾大特點(diǎn)：*，材質(zhì)透明，透光性能好，顯色性能好。第二，材料要有一定的強度，能夠承受一定的水壓。第三，耐磨性能好，能抗擊化學(xué)腐蝕。第四，材料要有良好的加工性能。
2.2 模型制作材料的確定
市面上常見(jiàn)的模型制作材料有聚碳酸酯、有機玻璃、PVC、ABS、聚丙烯和聚苯乙烯。與其他材料相比，亞克力材料有以下的特點(diǎn)：一是具有水晶般的透明度，透光率在92％以上，光線(xiàn)柔和、視覺(jué)清晰，用染料著(zhù)色的亞克力又有很好的展色效果。二是亞克力板具有的耐候性、較高的表面硬度和表面光澤，以及較好的高溫性能。三是亞克力板有良好的加工性能，既可采用熱成型，也可以用機械加工成型。四是透明亞克力板材具有可與玻璃比擬的透光率，但密度只有玻璃的一半。此外，它的強度是玻璃的數十倍，能抵抗較大的外力襲擊。五是亞克力板的耐磨性與鋁材接近，穩定性好，耐多種化學(xué)品腐蝕。綜合考慮，選擇亞克力材料作為模型主體的制作材料。
3、概念模型的制作
為防止材料與時(shí)間不必要浪費和易于后期的模型整改，決定先用簡(jiǎn)易、廉價(jià)材料制作概念模型。
3.1 概念模型尺寸與設計
由于之前已收集到空調實(shí)體結構外形尺寸數據，故將前期數據與調研所得實(shí)體空調外形相結合，并考慮演示的需要與位置擺放，zui終得到的數據就為模型外形數據。此外，為增強模型的演示效果，將圓柱體形的蒸發(fā)器與冷凝器按比例縮放后，等體積地變?yōu)殚L(cháng)方體結構，并將結合在一起的壓縮機、蒸發(fā)器和冷凝器分開(kāi)放置。為模型的設計與演示，設計作圖也均采用電子CAD 作圖。
3.2 概念模型的制作
由于概念模型僅為制作實(shí)體模型的尺寸提供參考，并不反映演示效果。故制作材料可選擇簡(jiǎn)易、價(jià)格低廉的材料。綜合考慮后，概念模型的主體制作材料選厚夾層瓦楞紙片和吸管。由于制作材料易于加工，故制作工具選擇丁字尺、美工刀和剪刀。
按照前期設計尺寸對中央空調各部件進(jìn)行相應制作，按照前期CAD 的布置圖對各個(gè)部件進(jìn)行位置布置與連接。
3.3 概念模型制作過(guò)程中發(fā)現的問(wèn)題
（1）概念模型的各個(gè)結構都較大，導致模型整體體積較大，使模型的整體演示效果不佳。
（2） 冷凝器和蒸發(fā)器中的管路回路過(guò)多且散熱板過(guò)多，影響演示效果。
（3）循環(huán)水泵擺放在直接演示臺上，影響整體觀(guān)賞效果。
（4）有的實(shí)體結構中管路較復雜，不宜用亞克力制作。
（5） 在設計時(shí)沒(méi)有考慮加工因素，使制作難度增加，并且在制作過(guò)程中誤差較大，使得各結構模型出現許多縫隙。
（6） 前期的CAD 演示中沒(méi)有進(jìn)行管路的演示，許多管道出現交叉的現象。
（7）某些構件的縮小比例不合理，致使這些部件模型無(wú)法進(jìn)行功能演示。
4、制作過(guò)程中對設計進(jìn)行的改進(jìn)
（1）對概念模型的設計尺寸進(jìn)行一定比例的縮小。
此外為使模型演示更加直觀(guān)，對構件模型的局部尺寸進(jìn)行相應的修改。
（2）設計支撐架，使各構架模型擺放整齊，并按照支撐架大小對各構件模型進(jìn)行位置擺放設置。
（3） 減小蒸發(fā)器和冷凝器中的管路回程數并減小其中散熱片的數量。
（4）將循環(huán)水泵的位置設計在支撐架下，演示臺上放置模型水泵。
（5）對某些實(shí)體模型部件改用PVC 管直接加工，減小構件制作難度。
（6）對于對演示效果沒(méi)有影響的構件例如儲液罐、視液鏡、膨脹閥等進(jìn)行簡(jiǎn)化處理，用簡(jiǎn)單的模型構件代替原有的復雜構件。
5、實(shí)體模型的制作
5.1 模型制作前的工具操作練習
根據之前的設計方案大致確定模型制作時(shí)所需的操作工具并進(jìn)行練習，如亞克力板的切割與粘接、亞克力管的切割與結合、角鐵的切割與焊接、亞克力板的鉆孔與打磨等。
5.2 實(shí)際制作過(guò)程中遇到的問(wèn)題與解決方法
（1）由于開(kāi)孔器只能打出外徑為20 mm 的孔，外徑為20 mm 的管路有時(shí)無(wú)法穿過(guò)，但使用更大型號的開(kāi)孔器打孔會(huì )使開(kāi)孔過(guò)大，從而影響開(kāi)孔效果。經(jīng)過(guò)考慮，在開(kāi)孔后用的打磨裝置打磨孔就可以使孔徑增大，管道可以順利穿過(guò)，而且打磨裝置不會(huì )使開(kāi)孔過(guò)大影響密封效果。
（2） 冷凝器與蒸發(fā)器中有一段三回程的蛇形彎管需要進(jìn)行手工制作。由于無(wú)法進(jìn)行直管熱彎處理加工，只能進(jìn)行直管與彎管的手工連接，但手工連接會(huì )影響密封效果，從而影響演示效果。經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗，采用直管與軟折管進(jìn)行軟連接，在連接處用細鐵絲綁緊并先后用502 與熱熔膠進(jìn)行密封處理。這樣既可以使加工簡(jiǎn)單又可以使密封效果達到*。
6、對實(shí)體模型的進(jìn)一步改進(jìn)
6.1 現有模型存在的問(wèn)題
（1）模型的控制系統以及電路系統較為復雜，演示過(guò)程中操作復雜。
（2）模型各部件較為分散，模型的移動(dòng)較為不便。
（3）循環(huán)演示沒(méi)有系統化，演示前需要花較長(cháng)的時(shí)間去準備。
（4）模型的演示系統結構過(guò)于復雜，占地較大。
（5）使用薄鐵皮加工出的水泵模型、壓縮機模型和膨脹水箱模型較為粗糙，影響觀(guān)賞與演示效果。
（6）蒸發(fā)器模型與冷凝器模型的體積較大，模型中
可能會(huì )儲存較多的水，而且水位孔較高。演示結束后儲存的水無(wú)法依靠水泵吸力全部排出，形成死水。這部分死水會(huì )影響演示的效果并減少模型的壽命。
（7） 空調機組冷凍水排水管的高度小于蒸發(fā)器冷凍水排水管的高度，致使演示結束后空調機組中的水無(wú)法全部排出，形成死水。
6.2 針對現有問(wèn)題的改進(jìn)方案
（1）簡(jiǎn)化控制系統，僅依靠4 個(gè)控制旋鈕控制整個(gè)系統的運作，并將控制系統集中在一個(gè)控制箱內。
（2）簡(jiǎn)化并整合模型演示系統的各部件，zui大限度地利用空間，將整個(gè)循環(huán)系統部件布置在支撐箱中。
（3）將支撐架改為支撐箱，將整個(gè)實(shí)體模型布置在支撐箱上，并在支撐箱上安裝滾輪提手。
（4） 將實(shí)體模型各構件之間的連接管路剪短并簡(jiǎn)化，使整個(gè)實(shí)體模型占地減小并可以放在支撐箱上。
（5） 將水泵模型、壓縮機模型和膨脹水箱模型用PVC 管和相應型號的管套制成，這樣可使加工簡(jiǎn)單并且模型外形較好。
（6） 在蒸發(fā)器模型和冷凝器模型的側面開(kāi)一個(gè)泄水孔，并安裝泄水管路。這樣既可以使模型中的死水排出又不會(huì )影響模型的整體演示效果。
（7）用墊塊適當將空調機組模型墊高，使其冷凍水排水管高度大于蒸發(fā)器冷凍水排水管的高度，致使空調機組中的存水在演示結束后可以全部排出。
改進(jìn)后的中央空調教學(xué)模型見(jiàn)圖1。
7、中央空調教學(xué)模型的演示
（1）準備工作：往準備好的4 個(gè)水桶注滿(mǎn)水，將4種顏色染料適量注入，并通電。
（2）制冷過(guò)程：首先打開(kāi)冷凍水循環(huán)開(kāi)關(guān)，有藍顏色的代表冷凍水的液體循環(huán)，然后打開(kāi)制冷劑循環(huán)開(kāi)關(guān)，有黃顏色的代表制冷劑的液體循環(huán)，zui后打開(kāi)冷卻水循環(huán)開(kāi)關(guān)，有綠顏色的代表冷卻水的液體循環(huán)。整個(gè)制冷過(guò)程就是由這3 種循環(huán)組成。
（3）制熱循環(huán)：調節轉換閥，打開(kāi)熱水循環(huán)開(kāi)關(guān)，有紅顏色的代表熱水的液體循環(huán)。
（4）清潔儀器：將水排干凈，并用清水清洗，儀器歸位。