中央空调教学模型的制作与演示

现高校开设的《制冷设备与原理》《空气调节》和《供热工程》三门课程彼此相互独立，各科目的核心知识自成体系，且各科目的教学明显偏向于理论，学生很难将科目融会贯通。现代楼宇的暖通空调系统将供热、供冷和空气调节结合成一体的发展趋势越发明显，工程实际中除要求对各科目知识熟练掌握外，更要求将各科目知识融会贯通。根据现高校毕业学生的反馈，现实情况中三门课程的综合运用非常常见，但其综合应用能力却明显不足。根据现状，现制作半集中式中央空调教学演示模型。本文的意义首先是将模型制作过程中的经验提供给其他爱好模型制作的学生，然后将上述三门课程的核心知识综合并依托模型各构件进行展现。
1、空调运行原理和各构件的组成与功能
1.1 半集中式中央空调的运行原理
1.1.1 制冷原理
制冷循环简单地讲就是将室内的热负荷与湿负荷排至室外。为了使热量可以不断地排出，空调的制冷部分形成了一个独有的热工循环———蒸汽压缩制冷环。
众所周知，液体的汽化可以吸收周围的热量，使周围温度降低。若将液体在常温情况下快速汽化，就可以使周围温度降低。压强的大幅度降低可以使液体快速地汽化，压强的升高又可使气体快速地液化，这样就可以使制冷工质进行循环。空调的制冷装置就是利用的这个原理。
空调的制冷装置主要是由压缩机、冷凝器、膨胀阀和蒸发器组成。由蒸发器出来的饱和蒸汽被吸入压缩机，压缩后成为高温高压液体，液态冷凝剂进入冷凝器后，冷却成为常温高压液体。饱和液体通过一个膨胀阀降压降温而变成低干度的湿蒸汽。湿蒸汽被引入蒸发器后吸热汽化变成饱和蒸汽，从而完成一个循环。这就是中央空调的制冷原理。
1.1.2 制热原理
由于能量可以直接由高温物体传向低温物体，所以中央空调的制热装置就是一个提供热水的锅炉。水由锅炉加热至适当温度，由管道输送至空调机箱，将能量与空气交换，再输送回锅炉，完成制热循环。
1.2 半集中式中央空调各构件的组成与功能半集中式中央空调基本是由压缩机、冷凝器、蒸发器、空调机组、锅炉和水泵组成。
该模型主要是反映中央空调的工作运行原理和各结构运行状态，由于中央空调工作时主要以液体和气体的循环为主，很少有结构的机械运动。因此只要使中央空调系统中的四大循环演示得清楚，就可以轻松地了解中央空调的运行原理，且四大循环演示的核心在于演示各工作介质在各结构中的流动状态。
在中央空调的四大运行循环介质中，3 个为水，1个为制冷剂。模型中可以用4 种带有不同颜色染料的水代表4 种循环介质。这样可以使观察者简单明了地观察4 种介质的循环过程。
为使模型中液体流动的方向更加明显和突出，模型各结构中的管道采用透明材质。此外，各结构的外围制作材料也应该使用透明材质材料。
2、模型制作材料的选取
2.1 实体模型制作材料的要求
根据模型演示思路，实体模型主体制作的材料要符合以下几大特点：第一，材质透明，透光性能好，显色性能好。第二，材料要有一定的强度，能够承受一定的水压。第三，耐磨性能好，能抗击化学腐蚀。第四，材料要有良好的加工性能。
2.2 模型制作材料的确定
市面上常见的模型制作材料有聚碳酸酯、有机玻璃、PVC、ABS、聚丙烯和聚苯乙烯。与其他材料相比，亚克力材料有以下的特点：一是具有水晶般的透明度，透光率在92％以上，光线柔和、视觉清晰，用染料着色的亚克力又有很好的展色效果。二是亚克力板具有极佳的耐候性、较高的表面硬度和表面光泽，以及较好的高温性能。三是亚克力板有良好的加工性能，既可采用热成型，也可以用机械加工成型。四是透明亚克力板材具有可与玻璃比拟的透光率，但密度只有玻璃的一半。此外，它的强度是玻璃的数十倍，能抵抗较大的外力袭击。五是亚克力板的耐磨性与铝材接近，稳定性好，耐多种化学品腐蚀。综合考虑，选择亚克力材料作为模型主体的制作材料。
3、概念模型的制作
为防止材料与时间不必要浪费和易于后期的模型整改，决定先用简易、廉价材料制作概念模型。
3.1 概念模型尺寸与设计
由于之前已收集到空调实体结构外形尺寸数据，故将前期数据与调研所得实体空调外形相结合，并考虑演示的需要与位置摆放，最终得到的数据就为模型外形数据。此外，为增强模型的演示效果，将圆柱体形的蒸发器与冷凝器按比例缩放后，等体积地变为长方体结构，并将结合在一起的压缩机、蒸发器和冷凝器分开放置。为精确模型的设计与演示，设计作图也均采用电子CAD 作图。
3.2 概念模型的制作
由于概念模型仅为制作实体模型的尺寸提供参考，并不反映演示效果。故制作材料可选择简易、价格低廉的材料。综合考虑后，概念模型的主体制作材料选厚夹层瓦楞纸片和吸管。由于制作材料易于加工，故制作工具选择丁字尺、美工刀和剪刀。
按照前期设计尺寸对中央空调各部件进行相应制作，按照前期CAD 的布置图对各个部件进行位置布置与连接。
3.3 概念模型制作过程中发现的问题
（1）概念模型的各个结构都较大，导致模型整体体积较大，使模型的整体演示效果不佳。
（2） 冷凝器和蒸发器中的管路回路过多且散热板过多，影响演示效果。
（3）循环水泵摆放在直接演示台上，影响整体观赏效果。
（4）有的实体结构中管路较复杂，不宜用亚克力制作。
（5） 在设计时没有考虑加工因素，使制作难度增加，并且在制作过程中误差较大，使得各结构模型出现许多缝隙。
（6） 前期的CAD 演示中没有进行管路的演示，许多管道出现交叉的现象。
（7）某些构件的缩小比例不合理，致使这些部件模型无法进行功能演示。
4、制作过程中对设计进行的改进
（1）对概念模型的设计尺寸进行一定比例的缩小。
此外为使模型演示更加直观，对构件模型的局部尺寸进行相应的修改。
（2）设计支撑架，使各构架模型摆放整齐，并按照支撑架大小对各构件模型进行位置摆放设置。
（3） 减小蒸发器和冷凝器中的管路回程数并减小其中散热片的数量。
（4）将循环水泵的位置设计在支撑架下，演示台上放置模型水泵。
（5）对某些实体模型部件改用PVC 管直接加工，减小构件制作难度。
（6）对于对演示效果没有影响的构件例如储液罐、视液镜、膨胀阀等进行简化处理，用简单的模型构件代替原有的复杂构件。
5、实体模型的制作
5.1 模型制作前的工具操作练习
根据之前的设计方案大致确定模型制作时所需的操作工具并进行练习，如亚克力板的切割与粘接、亚克力管的切割与结合、角铁的切割与焊接、亚克力板的钻孔与打磨等。
5.2 实际制作过程中遇到的问题与解决方法
（1）由于开孔器只能打出外径为20 mm 的孔，外径为20 mm 的管路有时无法穿过，但使用更大型号的开孔器打孔会使开孔过大，从而影响开孔效果。经过考虑，在开孔后用专用的打磨装置打磨孔就可以使孔径增大，管道可以顺利穿过，而且打磨装置不会使开孔过大影响密封效果。
（2） 冷凝器与蒸发器中有一段三回程的蛇形弯管需要进行手工制作。由于无法进行直管热弯处理加工，只能进行直管与弯管的手工连接，但手工连接会影响密封效果，从而影响演示效果。经过多次实验，采用直管与软折管进行软连接，在连接处用细铁丝绑紧并先后用502 与热熔胶进行密封处理。这样既可以使加工简单又可以使密封效果达到最佳。
6、对实体模型的进一步改进
6.1 现有模型存在的问题
（1）模型的控制系统以及电路系统较为复杂，演示过程中操作复杂。
（2）模型各部件较为分散，模型的移动较为不便。
（3）循环演示没有系统化，演示前需要花较长的时间去准备。
（4）模型的演示系统结构过于复杂，占地较大。
（5）使用薄铁皮加工出的水泵模型、压缩机模型和膨胀水箱模型较为粗糙，影响观赏与演示效果。
（6）蒸发器模型与冷凝器模型的体积较大，模型中
可能会储存较多的水，而且水位孔较高。演示结束后储存的水无法依靠水泵吸力全部排出，形成死水。这部分死水会影响演示的效果并减少模型的寿命。
（7） 空调机组冷冻水排水管的高度小于蒸发器冷冻水排水管的高度，致使演示结束后空调机组中的水无法全部排出，形成死水。
6.2 针对现有问题的改进方案
（1）简化控制系统，仅依靠4 个控制旋钮控制整个系统的运作，并将控制系统集中在一个控制箱内。
（2）简化并整合模型演示系统的各部件，最大限度地利用空间，将整个循环系统部件布置在支撑箱中。
（3）将支撑架改为支撑箱，将整个实体模型布置在支撑箱上，并在支撑箱上安装滚轮提手。
（4） 将实体模型各构件之间的连接管路剪短并简化，使整个实体模型占地减小并可以放在支撑箱上。
（5） 将水泵模型、压缩机模型和膨胀水箱模型用PVC 管和相应型号的管套制成，这样可使加工简单并且模型外形较好。
（6） 在蒸发器模型和冷凝器模型的侧面开一个泄水孔，并安装泄水管路。这样既可以使模型中的死水排出又不会影响模型的整体演示效果。
（7）用垫块适当将空调机组模型垫高，使其冷冻水排水管高度大于蒸发器冷冻水排水管的高度，致使空调机组中的存水在演示结束后可以全部排出。
改进后的中央空调教学模型见图1。
7、中央空调教学模型的演示
（1）准备工作：往准备好的4 个水桶注满水，将4种颜色染料适量注入，并通电。
（2）制冷过程：首先打开冷冻水循环开关，有蓝颜色的代表冷冻水的液体循环，然后打开制冷剂循环开关，有黄颜色的代表制冷剂的液体循环，最后打开冷却水循环开关，有绿颜色的代表冷却水的液体循环。整个制冷过程就是由这3 种循环组成。
（3）制热循环：调节转换阀，打开热水循环开关，有红颜色的代表热水的液体循环。
（4）清洁仪器：将水排干净，并用清水清洗，仪器归位。