中央空調教學模型的制作與演示

現高校開設的《制冷設備與原理》《空氣調節》和《供熱工程》三門課程彼此相互獨立，各科目的核心知識自成體系，且各科目的教學明顯偏向于理論，學生很難將科目融會貫通?，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展趨勢越發明顯，工程實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貫通。根據現高校畢業學生的反饋，現況中三門課程的綜合運用非常常見，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演示模型。本文的意義首先是將模型制作過程中的經驗提供給其他愛好模型制作的學生，然后將上述三門課程的核心知識綜合并依托模型各構件進行展現。
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
制冷循環簡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*的熱工循環———蒸汽壓縮制冷環。
*，液體的汽化可以吸收周圍的熱量，使周圍溫度降低。若將液體在常溫情況下快速汽化，就可以使周圍溫度降低。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進行循環?？照{的制冷裝置就是利用的這個原理。
空調的制冷裝置主要是由壓縮機、冷凝器、膨脹閥和蒸發器組成。由蒸發器出來的飽和蒸汽被吸入壓縮機，壓縮后成為高溫高壓液體，液態冷凝劑進入冷凝器后，冷卻成為常溫高壓液體。飽和液體通過一個膨脹閥降壓降溫而變成低干度的濕蒸汽。濕蒸汽被引入蒸發器后吸熱汽化變成飽和蒸汽，從而完成一個循環。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。
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，由于中央空調工作時主要以液體和氣體的循環為主，很少有結構的機械運動。因此只要使中央空調系統中的四大循環演示得清楚，就可以輕松地了解中央空調的運行原理，且四大循環演示的核心在于演示各工作介質在各結構中的流動狀態。
在中央空調的四大運行循環介質中，3 個為水，1個為制冷劑。模型中可以用4 種帶有不同顏色染料的水代表4 種循環介質。這樣可以使觀察者簡單明了地觀察4 種介質的循環過程。
為使模型中液體流動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。此外，各結構的外圍制作材料也應該使用透明材質材料。
2、模型制作材料的選取
2.1 實體模型制作材料的要求
根據模型演示思路，實體模型主體制作的材料要符合以下幾大特點：*，材質透明，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：一是具有水晶般的透明度，透光率在92％以上，光線柔和、視覺清晰，用染料著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
為防止材料與時間不必要浪費和易于后期的模型整改，決定先用簡易、廉價材料制作概念模型。
3.1 概念模型尺寸與設計
由于之前已收集到空調實體結構外形尺寸數據，故將前期數據與調研所得實體空調外形相結合，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，將圓柱體形的蒸發器與冷凝器按比例縮放后，等體積地變為長方體結構，并將結合在一起的壓縮機、蒸發器和冷凝器分開放置。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易、價格低廉的材料。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行相應制作，按照前期CAD 的布置圖對各個部件進行位置布置與連接。
3.3 概念模型制作過程中發現的問題
（1）概念模型的各個結構都較大，導致模型整體體積較大，使模型的整體演示效果不佳。
（2） 冷凝器和蒸發器中的管路回路過多且散熱板過多，影響演示效果。
（3）循環水泵擺放在直接演示臺上，影響整體觀賞效果。
（4）有的實體結構中管路較復雜，不宜用亞克力制作。
（5） 在設計時沒有考慮加工因素，使制作難度增加，并且在制作過程中誤差較大，使得各結構模型出現許多縫隙。
（6） 前期的CAD 演示中沒有進行管路的演示，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法進行功能演示。
4、制作過程中對設計進行的改進
（1）對概念模型的設計尺寸進行一定比例的縮小。
此外為使模型演示更加直觀，對構件模型的局部尺寸進行相應的修改。
（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行位置擺放設置。
（3） 減小蒸發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）對于對演示效果沒有影響的構件例如儲液罐、視液鏡、膨脹閥等進行簡化處理，用簡單的模型構件代替原有的復雜構件。
5、實體模型的制作
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所需的操作工具并進行練習，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 實際制作過程中遇到的問題與解決方法
（1）由于開孔器只能打出外徑為20 mm 的孔，外徑為20 mm 的管路有時無法穿過，但使用更大型號的開孔器打孔會使開孔過大，從而影響開孔效果。經過考慮，在開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，而且打磨裝置不會使開孔過大影響密封效果。
（2） 冷凝器與蒸發器中有一段三回程的蛇形彎管需要進行手工制作。由于無法進行直管熱彎處理加工，只能進行直管與彎管的手工連接，但手工連接會影響密封效果，從而影響演示效果。經過多次實驗，采用直管與軟折管進行軟連接，在連接處用細鐵絲綁緊并先后用502 與熱熔膠進行密封處理。這樣既可以使加工簡單又可以使密封效果達到*。
6、對實體模型的進一步改進
6.1 現有模型存在的問題
（1）模型的控制系統以及電路系統較為復雜，演示過程中操作復雜。
（2）模型各部件較為分散，模型的移動較為不便。
（3）循環演示沒有系統化，演示前需要花較長的時間去準備。
（4）模型的演示系統結構過于復雜，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，影響觀賞與演示效果。
（6）蒸發器模型與冷凝器模型的體積較大，模型中
可能會儲存較多的水，而且水位孔較高。演示結束后儲存的水無法依靠水泵吸力全部排出，形成死水。這部分死水會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法全部排出，形成死水。
6.2 針對現有問題的改進方案
（1）簡化控制系統，僅依靠4 個控制旋鈕控制整個系統的運作，并將控制系統集中在一個控制箱內。
（2）簡化并整合模型演示系統的各部件，zui大限度地利用空間，將整個循環系統部件布置在支撐箱中。
（3）將支撐架改為支撐箱，將整個實體模型布置在支撐箱上，并在支撐箱上安裝滾輪提手。
（4） 將實體模型各構件之間的連接管路剪短并簡化，使整個實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，這樣可使加工簡單并且模型外形較好。
（6） 在蒸發器模型和冷凝器模型的側面開一個泄水孔，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。
改進后的中央空調教學模型見圖1。
7、中央空調教學模型的演示
（1）準備工作：往準備好的4 個水桶注滿水，將4種顏色染料適量注入，并通電。
（2）制冷過程：首先打開冷凍水循環開關，有藍顏色的代表冷凍水的液體循環，然后打開制冷劑循環開關，有黃顏色的代表制冷劑的液體循環，zui后打開冷卻水循環開關，有綠顏色的代表冷卻水的液體循環。整個制冷過程就是由這3 種循環組成。
（3）制熱循環：調節轉換閥，打開熱水循環開關，有紅顏色的代表熱水的液體循環。
（4）清潔儀器：將水排干凈，并用清水清洗，儀器歸位。