《热空气的特点》教学设计（精选13篇）
《热空气的特点》教学设计 第1篇
《热空气的特点》教学设计
教学目标：
1．知识：使学生知道热空气比冷空气轻，会上升。2．能力：培养学生自主收集事实并尝试解释的能力。3．教育：培养学生追求真知、勇于探索的科学精神。教学重点、难点：
指导学生通过实验搜集丰富的事实，并且进行解释。教具、学具准备：
1．演示材料：图片。
2．分组实验材料：塑料袋、纸蛇、塑料条、酒精灯、蜡烛、火柴 课时安排：一课时。教学过程：
一、导入新课
谈话：我们已经学会使用酒精灯，点燃酒精灯，把手放在上方，自上而下细心体会，有什么感觉？
生分组实验（提醒手慢慢移动，注意安全。）
生汇报实验结果
1． 如果有学生提到有热空气向上升、顶手。教师板书 “热空气”，导入新课。
2． 如果学生提到有东西顶手、热。
谈话：你认为顶手的东西是什么？（板书：热空气）
讲述：我们这节课就来研究热空气。
二、学习新课
1．指导学生搜集和热空气有关的事实
讲述：为了研究热空气，老师为你们准备了一些材料，利用这些材料，用尽可能多的方法去研究，看看你会观察到哪些现象？
生分组实验
(1)如果学生用塑料袋实验，发现塑料袋飘起来，引导学生进一步分析、实验“怎样让塑料袋升的更高？怎样让塑料袋在短时间内升高？”。
(2)如果学生只是利用酒精灯实验，引导学生“能不能利用蜡烛试一试？”。
2．指导学生整理事实资料
谈话：说一说，你们观察到哪些现象？
生发言。（鼓励学生积极发言，互相倾听、补充，充分描述，并且引导学生详细描述塑料袋从上升到下降的全过程。）
3.指导学生研究事实资料
谈话：同学们观察到这么多现象，为什么会出现这些现象呢？你怎么解释呢？
生分组讨论
生汇报讨论结果（引导学生进行争论，并在必要时做适当点拨。）
谈话：那么归根到底是什么原因才出现这么多现象呢？（希望学生发现都是因为热空气轻，会上升。）（板书：热空气轻 会上升）
三、巩固应用
谈话：哪些地方应用到热空气这个性质呢？
1.如果学生想到热气球，师出示热气球图片。
2.如果学生想到“孔明灯”，引导学生通过看书了解孔明灯。布置作业
三国时期，诸葛亮就发明了孔明灯，传递作战信息，作为跨世纪的一代，你们能不能利用热空气的性质，做个小制作、小玩具呢？做好以后我们进行展示。
《热空气的特点》教学设计 第2篇
一、教学目标
1．知识目标：知道空气受热后体积膨胀，比同体积的冷空气轻，会上升的性质。
2．技能目标：知道科学探究要从提出问题开始，能将自己的研究结果与已有的科学结论进行比较；能提出进行探究活动的大致思路；能用简单的器材进行试验并纪录。
3．情感态度与价值观：在活动过程中学习科学实验的方法，体验科学探究的乐趣，培养学生热爱祖国、热爱科学的思想感情。
二、教学重点、难点：
指导学生对热空气上升现象进行猜测、实验；设计热空气上升的实验。
三、教学过程
同学们，今天老师为大家准备了一段非常精彩的视频，请大家欣赏一下。看完后请大家说一说你看到了什么？（教师播放PPT导入视频）
教师播放PPT导入视频，师生一起观看美丽的热气球上升的景观，导入本课课题。
学生观看热气球上升的短片。
师：请你把蜡烛点燃，把手放在上方，自上而下细心体会，有什么感觉？
学生实验（提醒手慢慢移动，注意安全。）吹灭蜡烛，学生汇报实验结果。
学生汇报：有热空气向上升、顶手。教师板书 “热空气”---导入新课。师：我们这节课就来研究热空气。
（二）探究新课
1、师：（老师点燃一支卫生香）请同学观察： 当卫生香直立、斜放和横放时，你分别观察到什么现象？
2、纸蛇实验。
先指导学生系纸蛇，然后把纸蛇吊起来，放在点燃的蜡烛上放，观察纸蛇，你会观察到什么现象？
学生实验（纸蛇自上而下放，距离不要太近，否则，纸社会被点燃。）
师：想一想，你们观察到了哪些现象，这些现象说明了什么？
3、进一步感受热空气，研究事实资料。
师：谁能用我给你们准备的材料设计一个实验，再次证明热空气可以上升？
（老师强调实验注意事项）学生实验。
师：同学们观察到这么多现象，为什么会出现这些现象呢？你怎么解释呢？ 学生分组讨论。
学生汇报讨论结果（引导学生进行争论，并在必要时做适当点拨。）师：那么归根到底是什么原因才出现这么多现象呢？ 生：都是因为热空气轻，会上升。
（三）巩固应用 师：哪些地方应用到热空气这个性质呢？
（引导学生通过看“孔明灯”，引导学生说一说孔明灯的原理。）
（四）课堂总结 拓展制作
1、师：谈一谈你本节课的收获，并提出你不懂得问题？ 学生交流。
2、师：三国时期，诸葛亮就发明了孔明灯，传递作战信息，作为跨世纪的一
《热空气的特点》教学设计 第3篇
空气流量计 (AFM) 一般安装在空气滤清器和节气门体之间, 用来测量吸入发动机中的空气量的多少, 作为确定燃油喷射量的主要参数, 对保证发动机的正常运转、提高燃油经济性起到至关重要的作用。热膜式空气流量计的功能是建立在热平衡原理基础上, 采用硅膜或者其他材料制造热膜, 配合相应电路板实现空气流量到电压信号的转换。长期以来空气质量流量计的知识产权和专利技术一直掌握在国外某些大型汽车零配件制造商手中, 国内热膜式空气流量计产品仍然以模拟输出型为主, 相关文献也主要以模拟流量计分析、新型电路设计等为主。
热膜式空气流量计具有很明显的非线性特性而容易导致输出误差, 针对这种动态特性的非线性问题, 目前大多仅从机理上研究和证明, 尚未提出过相应的解决思路。XU Ke-jun等[1]提出以综合信息方法分析了空气流量传感器在不同进气量下的特性, 用于进气量的控制;王肖芬[2]用时变自回归滑动平均RMA均模型描述AFM传感器的动态非线性特性, 预测传感器的响应, 但这些方法计算复杂, 难以实现, 也不利于传感器的动态校正。美国专利[3]采用电控单元中的查表式算法, 对于特定的传感器应用提供一种线性校正方法, 但改进思路是在发动机控制算法上进行控制, 对于不同传感器, 其效果并不能得以很好地体现, 而且不易实现通用化和产品化。
本研究针对上述问题进行某船舶双燃料发动机使用的空气流量计的优化设计, 由于使用环境对传感器结构布置的特殊要求, 模拟信号直接传送较为困难而且影响传送精度, 因此笔者采用微处理器与热膜传感单元接合的数字输出型设计。
1 系统硬件电路设计
传感器主要组成包括惠斯登电桥电路、电桥自动平衡电路、功率放大电路、微处理器电路 (含A/D转换) 、D/A转换电路以及信号输出电路等, 智能空气流量计电路结构框图如图1所示。
主体电路采用了反馈电路, 工作时, 当热膜电阻与空气之间的热交换发生变化时, 热膜温度发生改变, 引起热膜电阻值发生相应的变化, 并且空气质量流量越大, 被带走的热量也就越多, 其电阻值减小越多。因此电路中输入到运算放大器的电压也随之而变, 由于输入到运算放大器的电压变化将引起反馈放大器电压发生改变, 结果通过热膜的电流随之改变, 直到热膜的温度恢复原值, 惠斯登重新恢复平衡。这时供给电桥的电压己经发生了变化, 因此电桥电压的变化能反映空气的流量的变化, 这个桥路电压作为测量空气流量的电信号引入带有A/D转换功能的微处理器电路进行处理, 将电桥输出电压信号转换为数字信号, 然后经过线性化处理后, 输出电压信号, 成为输出信号供ECU作为判断信号使用。
1.1 微处理器的选择
本研究选用Freescale的MC9S08QD4汽车级芯片作流量计的微处理器, 主要基于如下原因:
(1) 芯片内含8位A/D转换器, 能满足发动机控制精度要求。该设计所适用的发动机进行空燃比计算时, 若采用双区或多区燃烧模型对燃烧过程进行循环计算, 准确性高但计算量大, 所以只用作离线计算, 而在实际运行时笔者采用对实验数据的拟合数学模型进行计算, 因此选择与其运算与处理要求相适应的处理器。
(2) 作为一种经济型微处理器, 其内含HCS08系列内核、时钟以及总线接口与流量计的需求接口和功能相适应。可大大减小系统设计的外围接口, 同时不至于引起处理器接口的浪费[4]。
(3) 该芯片具有应用于汽车的背景而且体积非常小, 能耐受并适应流量计的特殊使用环境。
1.2 微处理器与信号输出电路
微处理器与信号输出电路如图2所示, 经过第一级差动放大器的电桥输出信号被输入到微处理器的两个A/D转换接口。微处理器对信号进行计算和处理后输出给D/A转换器。D/A转换器按照时序将数字量改变为模拟量, 与其相连的运算放大器对来自D/A转换器的电压信号进行放大产生一定大小的电流输出, 利于保证流量计与ECU之间信号传输的健壮性。
1.3 电桥自动平衡电路
电桥自动平衡电路如图3所示, 当热膜电阻与空气之间的热交换发生变化时, 热膜温度发生改变, 引起热膜电阻值发生相应的变化。此时电桥不再处于平衡状态, 输出电压也改变。改变后的电压经过运算放大器的多级放大后控制电桥的输入电压, 使通过热膜电阻的电流随着变化, 直到热膜的温度恢复原值, 惠斯登重新恢复平衡。这时电桥输出电压与通过热膜电阻的流体质量流量相关, 通过测量电桥输出电压, 可经换算得出空气的质量流量。
电桥自动平衡电路的输出电压信号进入功率放大电路, 由其变为电流信号供给惠斯登电桥的输入端。由于输入信号含同相电压, 第一级采用差动放大, 以提高抗共模干扰能力。为了提高电桥输出端的增益, 输出端的电压采用了多级放大的方式, 通过配合不同反馈电阻值, 可以调节输出端的电压增益的大小。
2 系统自动标定
空气质量流量计整个电路装在管道中, 受环境温度影响较大, 空气的热传导、密度、粘性以及空气与热膜电阻之间的温差都与空气温度紧密相关, 空气温度的改变必然会导致流量计输出信号的改变, 所以空气质量流量计要进行标定[5]。
系统将流量计电桥电压与流量之间的标准对应关系建立对应表格, 找出流量计固有误差与输出值之间的关系, 进而实现自动标定。在流量计的数据库中, 预先存放了标准流量计不同测试点的电压值、流量值以及相邻两个测试点之间直线斜率, 数据按每3个为一组的形式储存起来。标定时, 流量计输出电压信号经过微处理器的A/D转换后, 将该值与存储单元中的电压值进行多次重复比较, 直到被调用的测试点的数值超过传感器的实际输出值并与之最为接近, 依此读出标准流量以及相邻两测试点的斜率, 并以此计算流量计的输出值, 具体实现程序如图4所示。
标定后的空气质量流量计的实时电压、实时流量即可根据标定对应关系进行修正后输出, 而且不受空气密度影响, 所以在海拔高的地区通用也无需另作标定。
3 输出信号误差与矫正
电路中使用的运算放大器具有低漂移、高增益特性, 元件参数不可能绝对对称, 会产生失调电压且其大小与环境温度有关。另一方面, 环境温度的变化也会影响热膜电阻的热耗散率, 进而影响传感器的输出电压, 因而电路中设有温度补偿电阻来补偿因电阻加工等原因而引起的固有误差[6]。温度补偿电阻加工精度要求很高, 加工误差也会影响到补偿电阻处的电压值, 而且由于电阻热敏系数具有非一致性, 存在对温度的交叉敏感, 使该电压还与环境温度、空气流速都有关系, 空气流量存在因工况不一致引入的误差[7,8]。
为了在程序中矫正上述非线性误差, 本研究将电桥中温度补偿电阻处的电压值引入微处理器, 根据标准流量计在实际工况下的测试结果计算测量偏差, 找出系统因补偿电阻引起的固有误差与流量计输出之间的关系, 进而对流量计的输出值进行误差补偿, 设xi为温度补偿电阻电压值, 令误差补偿f (x) 用多项式表示为:
设yi为流量计实际工况下的测量偏差, 因此, 误差补偿值要使式 (2, 3) 中的偏差e的平方和E为最小:
根据极值理论, 要使E达到最小, 必须使:
根据上式可建立方程组, 通过解方程组可得各阶多项式系数, 从而求得多项式拟合曲线。对流量计进行多项式误差补偿后, 即可使流量计测量精度控制在允许范围内。而且对于不同管径、不同流量范围的空气质量流量计, 无需进行硬件上的改动, 而是直接通过对微处理器的运算程序以及查表数据进行改动就可以改变误差补偿值, 使流量计在硬件性能变化或工况改变时保持原有精度。
4 测试结果与分析
该流量计设计精度为1%, 量程为0~500 kg/h, 为了对空气流量计的综合性能进行分析, 对空气流量计的测试分为静态测试和动态测试两部分进行。静态性能测试是使流量计通过一定流量的空气并使空气流量平稳的变化, 测量传感器的输出与真实值之间的关系即电压流量关系, 测得的流量计与标准流量计电压流量曲线关系如图5所示。
被测流量计静态性能曲线和标准流量计测得曲线最大差值在0.2 V以内;动态测试通过流量计的空气流量发生突变时流量计的响应时间来描述[9], 实际测量值为10 ms。综合结果表明了性能符合要求。
本研究对该空气流量计进行温度对比试验, 热膜电阻设计在工作温度下 (95℃) 电阻值为5Ω。笔者取两臂电阻之比为1∶300, 在相同空气流量条件下选温度80℃, 与20℃时的电压误差进行比较, 得到不同流量下的误差值的变化曲线如图6所示。图6中, 之所以在小流量范围内误差较大, 是由于流体特性和热辐射所造成的[10], 而系统在一定流量范围内可以达到误差总和最小, 从而保证所需的精度范围。
5 结束语
本研究结合双燃料船舶为发动机设计热膜式空气流量计, 用微控制器与运算放大器、功率放大器以及信号输出电路等硬件结构实现了流量计的使用可靠性。笔者采用查表方法对信号进行处理, 实现了流量计自动标定和校准功能。针对传感器的非线性误差, 本研究充分利用处理器片内硬件资源进行误差补偿, 保证了流量计的输出精度, 其精度也可以在微处理器中的程序中改动。测试结果表明, 流量计响应迅速、测量精度高, 整体设计具有一定的实用价值。
参考文献
[1]XU Ke-jun, ZHANG Jin, WANG Xiao-fen.Improvementsof nonlinear dynamic modeling of hot film MAF sensor[J].Sensors and Actuators A:Physical, 2008, 147 (1) :34-40.
[2]王肖芬.流量传感器信号建模、信号处理及系统研究[D].合肥:合肥工业大学电气与自动化工程学院, 2007.
[3]HAROLD E W, SHIREY B G.Mass air flow engine controlsystem with mass air event integrator:US, 4986243A[P].1990-01-19[1991-01-22].
[4]山海峰, 刘涵, 郭吉丰.基于PLC的汽车电子燃油泵性能检测系统[J].机电工程, 2013, 30 (7) :793-797.
[5]屈敏, 蔡伟义.基于微硅片的新型车用热膜式空气流量计[J].汽车电器, 2007 (5) :42-44.
[6]黄修铜, 王婷旺, 杨文涛, 等.基于PIC单片机的热膜式空气流量计设计[J].技术与应用, 2013, 19 (11) :15-19.
[7]周景宇, 文桂林, 张邦基.车用热膜式空气流量计分析与设计[J].机械设计与制造, 2012 (7) :12-14.
[8]MALCZYNSKI G W, SCHROEDER T.An Ion-Drag AirMass-Flow Sensor for Automotive Applications[J].IEEE Transactions on Industry Applications, 1992, 28 (2) :304-309.
[9]洪俊美, 暨仲明.发动机综合测试控制系统的研制[J].机电工程, 2009, 26 (10) :65-73.
空气热质处理的有效途径分析 第4篇
【关键词】热湿处理原理 改善方法 热质处理设备
一、空气热质处理相关概念
1、空气调节：指利用冷却、加热或者加湿设备等装置，对空气的温度和湿度进行处理，使之达到人体舒服度要求。
2、热舒适性：指人体对周围空气环境的舒适热感觉，在人的活动量和衣着一定的前提下，这主要取决于室内环境参数，如温度、湿度等。国家标准对民用建筑物室内环境参数中温度以及湿度有明确的指导参数。
3、新风：指从室外引进的新鲜空气，经过热质交换设备处理后送入室内的环境中。新鲜空气可以提供呼吸和燃烧所需要的氧气，调节室温，除去过量的湿气，并且可以稀释室内污染物，保证人体正常生活与健康的基本需要。新风量大小是衡量室内空气质量的重要参考指标。
4、回风：指从室内引出的空气，经过热质交换设备的处理再送回风室内的环境中。送风状态点：
5、送风状态点：为了消除室内的余压余温，以保持室内空气环境要求，送入房间空气的状态。
6、室内设计工况：
夏季：温度24-28℃，相对湿度40-65%，风速不应大于0.3m/s
冬季：温度18-22℃，相对湿度40-60%，风速0.2m/s.
二、空气热湿处理的原理与方法
1、由湿空气的焓湿图可见，在空调系统中，为得到同一点送风状态点，可能有多种的处理方法。
以完全使用室外新风的空调系统为例，一般夏季需要对室外空气进行冷却减湿处理，而冬季则需加热加湿，然而具体将夏、冬季分别为 、 点的室外空气如何处理到送风状态点 。
2、夏季工况空气热湿处理的方法
（1）
由冷却干燥 和干加热 组成。通常使用喷淋室或表冷器对夏季 状态的热湿空气进行冷却干燥处理，使其接近饱和的 状态，再经过各种空气加热器等湿升温，即可获得所需送风状态 。
冷却干燥是夏季空调的必要处理工程，由于冷媒水温要求较低，通常需要使用人工冷源，相应的设备投资与能源也就更大。若采用喷淋室处理空气，则能获得较高卫生标注和较宽的处理范围，有利于充分循环水喷淋，一体化并且经济地解决冬季的加湿问题；若采用表冷器，可以使处理设备紧凑，且使用管理方便等。
（2）
由一个等焓减湿 和一个干冷却 组成。使用固体吸湿剂处理空气可以近似表现出等焓减湿变化。由于空气在减湿同时温度会升高，故要达到送风状态点，需后续进行冷却处理。
（3）
这种处理方法是以一个基本的热湿处理过程，从新风状态 直接获得空调所需的低温低湿的送风状态点 。由于技术上要求过大，常规的处理设备达不到要求，只能采取液体吸湿剂的减湿装置来处理，但液体减湿装置本身复杂，而且在投资和管理上也存在很多不利点。
3、冬季工况空气热湿处理的方法
（1）
对于冬季 状态低温低湿的室外空气，先通过预热 升温，再通过近似于等温的加湿 ，达到要求的含湿量，最后通过空气加热器 ，从而获得所需送风状态点 。方法中的 通常采用喷蒸汽的方法。对于夏季使用表冷器的空调系统，这是必然选择。当空气加热也是采用蒸汽做热媒时，更加方便地解决热、湿媒体的问题。但应注意在使用蒸汽处理空气的同时，会产生异味，可能影响送风的卫生标准，应注意气味的处理。
（2）
这种方法的主要特点在于利用经济地绝热加湿 取代喷蒸汽加湿，为此需加大前面预热过程的加热量。对于夏季使用喷淋室处理空气的空调系统，冬季可充分利用同一设备对空气做循环水喷淋处理，从而获得即改善空气品质又达到了经济、节能等，故采用这种方法效果很好。
（3）
采用热水喷蒸汽加湿 再加上继续加热 过程。这种方法实施的前提条件是夏季处理中确定使用喷淋室。
（4）
新风预热 和喷蒸汽加湿 。由新风预热集中解决所需要的温度升高，因此可以获取设备投资的节省。但后面的喷蒸汽加湿过程不仅会存在异味问题，而且加湿量的调节和控制在实际中也不方便解决。
上述的解决方法在空气的处理过程虽然不同，按从冬季总的耗热量是相同的。只是在各个加热、加湿环节的比例不相同，这些处理方法有可能在处理空气的过程中减少设备的运行。但我们在选择处理方法的同时，也要考虑实际工况下设备的性能，空间的大小，与输送的能源消耗等因素。
三、空气热湿处理设备
根据各种热质交换设备的特点分：
1、混合式热质交换设备，包括喷淋室、蒸汽加湿器、局部补充加湿装置、液体吸湿剂装置等。
特点：与空气进行热质交换的介质直接与空气接触，通常是使被处理的空气流过热质交换介质表面，通过含有介质的填料层或将直接介质喷洒到空气中，形成各种分散度液滴的空间，使液滴与流过的空气直接接触。
2、间壁式热质交换设备，各种形式的空气加热器及空气冷却器等。
特点：不直接与空气进行热质交换，而是通过分隔壁面进行。根据交换介质的温度不同，在避免的空气侧可能会形成一层水膜。
【参考文献】
[1] 连之伟，孙德兴. 热质交换原理与设备（第二版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2006.
[2] 陈晋南.传递过程原理[M].北京：化学工业出版社，2004 .
《热空气的特点》教学设计 第5篇
2、冷空气和热空气
教学目标：
过程与技能
１．用实验并借助想象、联想，认识冷热空气的流动规律。２．继续学习借助其他物体觉察空气的认识方法。科学知识
１．知道同体积的热空气比冷空气轻，热空气上升的原理。２．知道地球表面空气的冷热不匀是形成自然风风的主要原因。３．了解人类对热空气的应用。情感态度与价值观
培养爱国主义精神，体会科学给人类带来的好处。教学材料：
蜡烛、火柴、纸蛇、细木棍、大小相同的小纸袋两个、细线、蚊香、胶泥、水槽 教学过程：
一、导入新课
1、上节课我们发现了空气的什么性质？
2、在平常的情况下，空气会向四面八方流动。可是当空气受热或受冷时又会怎样流动呢？
3、把你们的假设写在课题的后面，这节课我们一起去验证自己的想法是正确的，还是错误的，如果空气是流动的，我们就要研究空气是怎么流动的。
4、学生把自己假设的答案写在书上。探索和调查空气的流动(1)研究热空气的流动
①空气也是分冷空气和热空气的，我们先来研究热空气的流动 ②我这里有个会“跳舞”的纸蛇，先来看看蛇是怎么“跳舞”的 ③是什么力量让蛇“跳舞”的呢？ 小组先实验再讨论，记录观察结果
④把手放在蜡烛上方和侧面，你感觉到了什么？有能说明什么呢？ ⑤通过这2个实验，你发现了什么？(2)研究冷空气的流动
①热空气是上升的，你猜想冷空气会是怎样流动的呢？ ②生活中，你看到过冷空气的流动吗？打开冰箱冷藏室 ③冷空气是下沉的
（3）研究等体积的热空气比冷空气轻 ①为什么热空气会上升，冷空气会下沉。
②演示纸袋不平衡的实验，学生观察在加热的空气的过程中，塑料袋有什么变化，手握住袋顶有什么感觉？
③试着解释热空气为什么会上升。学生讨论、自我总结冷热空气的性质。
3、热空气的用途
(1)利用热空气上升的原理有人发明了一些可以飞行的物体，你知道有什么吗？(2)请学生介绍孔明灯和热气球的升空原理 “有谁知道有关孔明灯和热气球和知识吗？”(3)利用光盘介绍有关孔明灯和热气球的知识。
4、冷热空气的对流
(1)热空气上升，冷空气下沉，怎么能形成风呢？想个办法，让我们大家能看到空气的对流呢？
小组讨论实验方案
(2)演示P8实验，用蚊香的烟雾流动表示(3)你发现了什么？为什么？
(4)你能说说冷热空气是怎么对流的？
认识热空气上升，继续学习借助其他物体观察空气的流动。认识冷空气下沉
认识等体积的热空气比冷空气轻 认识冷热空气的流动形成风。
二、回顾和解释
1、通过对冷空气和热空气的研究，你有什么样的发现？你能解释这些现象吗？
2、那么，在一个空间范围内冷热空气流动的情况是怎样呢？ 通过对实验的回顾，让学生进一步加深所学的知识的理解，并对实验和生活中的现象作出合理的解释。
板书设计：
2、冷空气和热空气
2. 热空气和冷空气教案习题 第6篇
一、填空题
1、因为地球是一个球体，所以地面上各个地方受到太阳照射的情况就______________不同，各地的空气______________冷热程度也就不一样，热空气______________，冷空气______________，______________冷热______________的差异造成了空气的______________流动；空气的______________流动就形成了风。
2、空气总是在______________运动的，______________就是风。不用嘴吹，我还有这些办法能使空气流动起来：______________、______________、______________、______________等。
3、空气是_____________混合而成的。空气由中最多的气体是占据空气体积78%的__________；空气中支持燃烧的是______，约占空气体积的______________；此外，空气中还含有少量的______________和______________等。（空气主要是由______________和少量的______________、______________等气体混合而成。）
4、三国时，我们中国人利用______________的原理发明了______________；1783年，法国人利用______________的原理成功制造出______________。
5、由于地面上各个地方的冷热程度不一样，冷空气总要向热的地方流动，空气的______________就形成了风。
二、思考题
1、等体积的热空气比冷空气(轻)，这是为什么？
2、空气受热会(向上流动)，热空气（上升）；空气受冷会（向下流动）冷空气（下降）；这是为什么呢？
热空气教案 第7篇
一、教学目的：
1．指导学生认识空气受热后，与冷空气相比，重量会变轻，向上升。2．培养学生的实验能力(学会做热空气变轻上升的实验)和归纳概括能力(归纳概括出热空气比冷空气轻向上升的科学原理)。3．培养学生良好的科学态度。(观察、实验、思考的习惯)
二、教学准备：
(一)演示材料（投影片）
（1）孔明灯。（2）走马灯。（3）热气球。
(二)实验材料：挂好线的纸蛇、蜡烛、打火机、小纸片。
三、教学过程：
(一)教学引入(猜一猜)身披五彩衣，圆肚装热气。能升又能降，天天空中戏。
(二)学习新课(通过实验，指导学生认识空气受热会变轻，上升)（1）纸蛇演示实验：
师：（拿起悬挂好的“纸蛇”。)这是剪成弯弯曲曲的纸蛇，我们就用它做实验。用线把纸蛇悬挂起来，观察一下纸蛇是什么样子；把纸蛇放在点燃的蜡烛上方，观察纸蛇有什么变化；再把纸蛇离开火焰，观察它会怎样？ 纸蛇实验步骤： ①悬挂纸蛇，观察纸蛇的样子。②做纸蛇在蜡烛上方转动的实验。③做离开火焰，观察纸蛇变化的实验。④反复几次，对比实验现象。学生观察实验过程。
问：放在蜡烛火焰上方，纸蛇就转了起来；离开火焰，纸蛇就不转了。这说明纸蛇的转动与什么有关? 学生分组讨论，然后，汇报研究结果。（2）纸片演示实验：
师：（拿起事先剪好的纸片)我们就用这个小纸片来做实验。用纸片放在点燃的蜡烛上方，观察纸片向哪个方向飘；再把纸蛇离开火焰，观察它会怎样？ 纸蛇实验步骤：
②做纸片放在蜡烛上方向上飘的实验。③做离开火焰，观察纸片变化的实验。④反复几次，对比实验现象。学生观察实验过程。
问：放在蜡烛火焰上方，纸片就向上飘；离开火焰，纸片就不动了。这说明纸片的向上飘与什么有关? 学生分组讨论，然后，汇报研究结果。
师：空气受热后，体积会胀大，与同体积的冷空气比，密度小，重量轻。就象比水轻的物体在水中会上升一样，比周围冷空气轻的热空气也会上升。当热空气上升时，就会使纸蛇转动，推动纸片向上飘。3．热空气的应用 问：热空气上升的原理能帮助人们做什么事情? 听取学生的发言。
师：热空气是位“无名英雄”，它能悄悄地帮助人们做好多的事情。(投影：孔明灯)一千七百多年前的三国时期，古代军事家孔明(也就是诸葛亮)利用热空气会上升的原理，制成一种能上天的灯。有了它，部队在夜间行进时，就能传递信号，取得联系。由于这种灯是孔明发明的，人们就把这种灯取名为孔明灯。(投影：走马灯)问：你们认识这是什么吗? 师：这是一个走马灯，点燃灯下的蜡烛，上面的纸马会转动起来。古代人们做这个来观赏。(投影：热气球)师：这个我相信大家都已经知道它是什么了。这就是我们上这节课前的谜底：热气球。它点火后可以带着人升上天空，是最早的飞行器。现在，还有人喜欢乘热气球遨游天空呢？(三)巩固
（1）热空气的性质。
（2）烟的上升和炉上手帕的上飘现象。(四)布置作业
《热空气的特点》教学设计 第8篇
随着一次性能源日益减少及其对环境破坏日益加剧, 开发利用可再生新能源已经成为我国可持续发展的关键。太阳能是一种总量巨大、绿色环保的可再生新能源, 太阳能热水系统是一种直接利用太阳能进行加热的形式, 且已经证明可以大大减少能耗。太阳能是一种间断的、不稳定的能源, 难以满足全天候供热水及阴雨天气下热水供应的要求。为满足太阳能不足时的用热需求, 确保太阳能热水的稳定性, 必须采用辅助热源。现有的中央热水系统大多采用电锅炉、燃煤/燃油 (气) 锅炉、市政热力等常规热源作为太阳能热水系统的辅助热源, 但这些系统仍需要消耗大量的一次性能源。
1 太阳能热水系统的辅助热源
空气源热泵是一种节能环保的空调制冷供热技术, 其利用少量高品位的能源作为驱动能源, 从低温热源高效吸取低品位热能, 并将其传输给高温热源。目前市面上空气源在额定工况下能效比可达到3~5, 相比其他的辅助热源节能效果十分明显。空气源热泵结合太阳能热水系统, 既节能减排, 又能保证全年全日连续供热, 且不需要专用机房, 安装使用方便, 在大型的太阳能中央热水系统中, 是一种比较理想的辅助加热设备。根据参考资料显示, 太阳能与热泵结合的热水系统, 可以节能85% (太阳能加热热水占全部负荷的60%~80%, 其余20%~40%由热泵承担, 如果热泵的效率COP取3, 那么全年实际耗电只有7%~14%) 。夏热冬暖地区其太阳能较丰富, 年平均温度处于20~30℃, 在酒店、病房等需要24 h热水供应且夜间热水用水量较大的建筑, 在充分利用太阳能的前提下, 仍然需要大量使用辅助热源。本文以广东省某医院住院大楼采用的空气源热泵结合太阳能热水系统为例, 对其工作原理、运行工况、系统设计及经济性进行分析和探讨。
2 空气源热泵结合太阳能热水系统
2.1 工程概况
广东省某医院住院大楼为地上16层的公用建筑, 设计采用空气源热泵结合太阳能热水系统, 设计用热水房间400间, 日均用热水人数1 000人, 要求提供55℃的生活热水。根据《建筑给排水设计规范》, 医院热水定额按60 L/人计, 设计热水日用水量为60 m3, 最大小时用水量4.88 m3。自来水平均水温按15℃、热水温度按55℃计, 则设计小时耗热量约250 k W。由于受屋面面积所限, 本工程采取以空气源热泵制热为主, 结合太阳能制热的热水系统。
2.2 系统组成
本系统主要由两大部分组成: (1) 太阳能集热系统, 由太阳能集热器、太阳能热水循环泵、太阳能热水箱等组成; (2) 空气源热泵系统, 由空气源热泵机组、生活热水箱、空气源热水循环泵等组成。
2.3 运行工况
本工程中空气源热泵结合太阳能热水系统的运行有以下三种工况: (1) 太阳能热水系统直接加热生活热水。在白天日照充足且使用人数较少时系统按此工况运行, 此时太阳能热水循环泵根据太阳能集热器和太阳能热水箱的温度进行控制启停。 (2) 空气源热泵和太阳能热水系统同时加热生活热水。由于本工程屋面面积受限, 实际集热面积不能满足设计热水日用水量, 因此需要太阳能和热泵同时工作满足热水要求, 系统大部分均处于此运行工况。 (3) 空气源热泵直接加热生活热水。在连续阴雨天气, 热水系统完全由热泵单独加热。
2.4 太阳能集热系统设计
2.4.1 太阳能集热系统日均产水量
太阳能热水系统的产水量与太阳辐射强度和日照时间及集热面积相关, 本工程按年平均辐射量进行设计。根据相关资料查得广东省太阳能集热器采光面上的年平均日太阳辐射量J=18 MJ/ (m2·d) ;太阳能保证率f按0.8计算;由于屋面面积受限, 设计安装的太阳能最大集热面积为288 m2;集热器的年平均热效率取值0.45, 储水箱和管路的热损失率取0.25, 则日均产水量Q=AJTηcd (1-ηL) /C (tend-tt) f=13 m3/d。
2.4.2 太阳能储热水箱计算
本设计太阳能集热器只能在白天运行, 288 m2集热板的日平均产水量为13 m3, 因此, 本设计太阳能热水箱取13 m3。
2.5 空气源热泵加热系统设计
2.5.1 空气源热泵热水机组选型
本工程设计考虑最不利的工况下, 全天热水均由空气源热泵机组生产, 即每小时产热水量为60/24=2.5 m3/h。根据某公司样本查得某型号空气源热泵热水机组性能曲线, 其单台输入功率N1=14.2 k W, 输出制热量N2=50 k W, COP=3.5, 则所需该型号空气源热泵机组的台数n=cmΔt/3 600/0.95/N2=2.44, 本工程设计按3台选取。
2.5.2 生活热水箱的计算
本工程按24 h全天供水, 生活热水箱容积按最高日最高时生活热水用量确定, 即V=5 m3。
3 经济性分析
3.1 计算条件
(1) 日用水量为60 m3, 按照当地历年的气象资料统计, 平均每年有275天为太阳能采光良好天气, 这275天中太阳能每天可提供13 m3的热水, 其余47 m3由热泵提供。另外考虑最不利的工况下, 全天热水均由空气源热泵机组生产的运行时间为90天。 (2) 采用电加热耗电量的计算方法:1 t水耗电量为W=Q/η·λ=103× (55-15) / (0.98×860) ≈47.46 k W·h。 (3) 空气源热泵耗电量计算方法:热泵系统COP值与很多因素有关, 例如出水温度、环境温度、冷凝器与换热器的温差、工质流动压降、电机与压缩机效率等。根据厂家提供的样本参数, 本设计按平均热效率η=3.5计算, 则用空气源热泵加热1 t水耗电量计算:W输入=W/η=47.46/3.5=13.56 k W·h。
3.2 系统计算和经济性分析
(1) 电锅炉。电锅炉使用电能给水加热, 无污染, 热效率比较高。但使用电锅炉运行成本高, 且近年来经济发达的各大中城市供电较为紧张。本工程若采用单独电锅炉加热, 全年运行耗电量计算如下:
60 t×47.46 k W·h/ (天·t) ×365天=1 039 374 k W·h
电单价按人民币0.8元/k W·h计算, 则每年运行费用为:
1 039 374 k W·h×0.8元/k W·h≈83.15万元
(2) 若单独采用空气源热泵加热, 全年耗电量计算如下:
60 t×13.56 k W·h/ (天·t) ×365天=296 964 k W·h
每年运行费用为:
296 964 k W·h×0.8元/k W·h≈23.76万元
(3) 若采用太阳能+电辅助, 全年耗电量计算如下:
60 t×47.46 k W·h/ (天·t) ×90天+47 t×47.46 k W·h/ (天·t) ×275天=869 704.5 k W·h
每年运行费用为:
869 704.5 k W·h×0.8元/k W·h≈69.58万元
(4) 若采用太阳能+空气源热泵辅助, 全年耗电量计算如下:
60 t×13.56 k W·h/ (天·t) ×90天+47 t×13.56 k W·h/ (天·t) ×275天=248 487 k W·h
每年运行费用为:
248 487 k W·h×0.8元/k W·h≈19.88万元
由上得知, 采用热泵机组结合太阳能热水系统, 与采用电锅炉辅助加热相比, 每年可减少费用49.7万元, 与完全采用电加热相比, 每年可减少63.27万元。
4 结语
热泵辅助太阳能热水系统不仅节能环保, 而且弥补了各自单独运行时的不足, 实现了能量的高效利用, 进一步降低了能耗, 符合可持续发展的要求。由本工程经济分析可知, 在夏热冬暖地区采用热泵机组结合太阳能热水系统, 与采用电锅炉辅助加热相比, 每年可减少费用49.7万元, 与完全采用电加热相比, 每年可减少63.27万元, 约节能76%。虽然热泵辅助太阳能热水器的初投资费用较高, 但一次投资, 终身受益, 且投资回收期短, 一般5年左右就能回收投资成本。因此, 太阳能结合热泵热水系统应作为节能减排、环保系统大力推广使用。
摘要：把热泵技术与太阳能热利用技术结合可提高太阳能集热器效率和热泵系统性能, 同时解决全天候供热水问题。现结合工程实例, 对空气源热泵结合太阳能热水工程的系统组成及设计、运行工况、经济性进行分析探讨。
让空气能“热”起来 第9篇
相比较而言，空气源热泵热水器属于后来者。所谓后来居上，2011年，空气源热泵热水器市场份额约60亿，相比2010年的30亿，增长了一倍，2012年继续大幅增长。
在制热行业，制热能力一直是热水器产业技术升级中不懈追求的目标。随着“十二五”规划国家提出对节能减排和低碳经济的要求，热水器行业主流技术发展方向越来越趋于降低能源的消耗，产业、产品、技术结构都在力争升级换代，以研发出制热能力更强，受环境因素影响更小，寿命更长的新型热水器产品。这无形当中为市场尚未成熟的空气能热水器带来的难得的发展机遇。
“应该说，空气能在今年迎来了一个良好的发展契机，我很看好空气能产业的发展，当空气能行业发展到高度成熟的时候，整个市场份额可以达到500亿以上。”广东同益电器有限公司总经理唐壁奎说。
空气也能“热”水
唐壁奎介绍，空气能热水器是太阳能光热延伸利用的新一代热水器。在研发过程中，主要通过热泵系统的循环交换将空气中的低温热量转换为高温气体，高温气体在封闭式转换器中循环对水进行加热，整个加热过程中没有电加热原件与水接触，同时不受阴雨天气影响，可以说安全又舒适。
空气能热水器有着安装不受建筑物或楼层限制，使用不受气候影响等优势，既可用作家庭的热水供应中心，也能为单位集中供热水。由于使用新型专利技术，该产品不仅安全舒适，而且环保节能，实际使用费仅分别相当于电热水器的1/4，燃气热水器的1/3。
使用空气能热水器，将150升水箱中的水加热到65℃，春秋季节需要消耗 2 度电，如采用低谷电价只需要0.6元钱。这150升热水足够一家3-5口生活热水之用;如果采用一个水龙头放水洗澡，该热水器可以源源不断供应热水。经验丰富的用户可以将热水温度设定在45℃，热水器运行将更加省能。
唐壁奎说，空气能热水器从空气中吸收热量加热水，在这一过程中，消耗一份能量将从空气中吸收转移四份能量到水中，耗电量大概只有电热水器的1/4，换算成现金，一个普通三口之家，平均每年能省1000~2000元人民币电费，既经济又节能。
作为国内最早从事空气能热泵热水器研发生产的企业之一，今年6月份，同益电器成功入围国家节能产品惠民工程，并成为所有空气能专业品牌入围型号数量最多的企业，也是获得最高节能补贴额度的9家企业之一。这在一定程度上反映了同益在行业中的地位。
创办“黄埔军校”
早在2004年，同益电器就推出国内首台“热泵热水器空调”，相关的技术也通过了国家有关部门和专家的认定，并取得了实用新型专利，从此开始了空气能热水器市场的开拓。
“发展到今天，可以说，空气能热水器已经获得社会广泛认同，市场占有率逐渐提高，未来发展空间广阔。只要是真正有生命力的产品，市场是能够承载其品牌发展的，同益这些年，也一直在为市场开拓而努力着。”
唐壁奎说，自创业以来，同益一直坚持“立足中国，面向世界”的定位，不断加强品牌建设和渠道建设。早在2000年的时候，同益产品就获得了欧盟CE认证和国际电工组织的CB认证，成功出口到意大利，打开了欧洲市场。2009年，同益空气能产品挺进日本零碳家居样板工程，获得了日本熊本市政府部门的高度好评。
从最初出口到欧洲市场再到前几年成功进入日本、北美市场，应该说在国际市场的开拓上，同益一直都走在同行前列。
在国内，同益从2006年开始在广东黄埔军校旧址举办“空气能黄埔军校培训班”，对社会有志于热泵热水器技术和维修的人员提供免费学习的机会，为行业输送了一批又一批的工程及售后服务人才，直接推动了整个空气能行业的发展，在行业内引起巨大的反响。到目前为止，“空气能黄埔军校培训班”已经连续成功举办了十二届。
“同益黄埔军校培训班与其他培训班最大的区别是，同益不仅传授技艺，还会进行技术和服务方面的培训，同时在学员中倡导黄埔精神，以实际行动在工作中发扬黄埔精神，尽最大努力普及空气能热水器知识和技术，倡导低碳环保。”唐壁奎说。
可以看出，同益的黄埔军校在为我国节能事业做出努力的同时，也在无形中不断地提升同益空气能的行业地位和市场亲和力，可谓一举两得。
布局电商渠道
2008年7月，同益发起“热水节能万里行”推广活动，联合美的、国际铜业协会等单位共同推广空气能热水器，引起全社会的广泛关注，有力带动了空气能热水器的推广普及。
“入围国家节能产品惠民工程之后，我们在渠道建设上做了大量工作，特别是加强电商渠道的布局。”唐壁奎说，由于农村市场的渠道成本相当低廉，不少空气能热水器企业均选择在三四级市场开设专卖店，为响应这次的家电节能补贴，同益在第一时间召开董事会，全面部署节能补贴相关事宜。除了传统的营销渠道外，同益还在一级市场加大渠道拓展力度，以电子商务为主，消费者可以通过电子商务渠道进行购买，使网购符合条件的产品同样可以享受补贴。
不仅如此，同益结合国家节能补贴政策，斥巨资投入到本次的惠民工程，给消费者带来更实在的让利措施，同时协调空气能商家进一步优惠，成为行业首个推出“国家补贴、厂家让利、商家优惠”三重补贴政策的企业。扩大渠道的目的也是为了让跟多的人知道并使用能效比高的产品，加快电商渠道布局，可以让一二线城市，乃至更多的消费者能更快、更好地享受到惠民补贴政策带来的优惠，用上舒心产品。
“近年来，电商的发展态势有目共睹，未来必将是行业竞争的新领域。同益空气能率性广布电商渠道，就是为了先人一步，占领营销高点，争取领跑行业。”唐壁奎对于电商渠道前景很是看好。
技术赢未来
唐壁奎说，同益一直坚持“创新促发展，技术赢未来”的战略方针。在产品的创新方面，同益更注重于产品性能的技术创新，保持每年都有多款新产品上市，以此来带动同益品牌的影响力。
2007年，同益公司与湖南大学合作的“复合冷凝热泵热水器空调及能热源新技术研究”课题被列为国家“863”项目，并成功通过国家级鉴定;同年3月，公司自主研发的“补偿式循环系统”取得国家专利，同时，同益空气源热泵热水器应用工程案例被国家发改委节能信息传播中心评选为“最佳节能实践案例”。
国家与社会有关部门的不断认可，更坚定了同益前进的脚步。2008年，公司取得了热泵行业“全国工业产品生产许可证”，是行业中首批取得生产许可证的企业之一，并在2009年获得“中国热泵行业十大品牌”称号。2012年，同益承担的国家创新基金项目“补偿式冷热联供热泵机组”顺利通过验收。
“今年8月份，获得‘2012年品牌中国金谱奖’给了我们很大的信心和鼓励。接下来，同益空气能品牌要想走得更好、更远，需要不断进行自勉，通过技术升级、产品升级和服务升级，全方位促进企业快速发展。”
今年，在国家政府的支持下，空气能进入节能产品惠民工程补贴名单，在很大程度上带动了空气能热水器的销售增长。由此可见，空气能行业的推广，需要国家、社会与企业更多的联合，而不能仅靠企业自身投入。
“革命尚未成功，同志仍需努力。”创新不断的同益，正在开辟空气能热水器市场的大道上，阔步前行。
《热空气的特点》教学设计 第10篇
为了弄清楚热空气干燥法对加速ACQ-D(胺溶季铵铜-D型)在木材内固着的加速作用,该研究采用浓度为1%的ACQ-D溶液对杉木试材进行真空浸注处理,在室温下预固着48 h后,分别对试材进行了不同的后处理,其中包括气干不包膜、气干包膜、热空气干燥不包膜、热空气干燥包膜.热空气干燥的温度为50℃,处理时间分别为2、6、12和24 h;气干处理的时间分别为1、2、4和8 d.后处理结束后进行抗流失性试验,然后测定试材中残留的铜含量,在此基础上计算ACQ-D处理杉木中铜的流失率.研究结果表明:①气干处理和热空气干燥处理对ACQ-D防腐剂在木材中的.固着都有一定的积极作用,而且随着处理时间的增加固着效果都有所提高;②热空气干燥处理在固着方面的作用要优于气干处理,所需时间短而且固着效果好,在本试验条件下处理6 h以上抗流失效果较好;③包膜与不包膜两种方法应用于气干处理和热空气干燥处理中的效果有所不同,气干包膜的抗流失效果比气干不包膜的要好,而热空气包膜却比热空气不包膜的要差很多,这可能是因为使用的塑料薄膜阻碍了热量传导,使木材内的温度偏低,不利于铜在木材中的固着.
作 者：刘智 曹金珍 黄晓丽 LIU Zhi CAO Jin-zhen HUANG Xiao-li 作者单位：北京林业大学材料科学与技术学院 刊 名：北京林业大学学报 ISTIC PKU英文刊名：JOURNAL OF BEIJING FORESTRY UNIVERSITY 年，卷(期)：2006 28(6) 分类号：S781.37 关键词：胺溶季胺铜-D型(ACQ-D) 热空气干燥 气干 铜固着
探地雷达空气回波特点与处理方法 第11篇
解释可以有效提高解释的正确性.
作 者：石建平张志勇 邓居智 SHI Jian-ping ZHANG Zhi-yong DENG Ju-zhi 作者单位：石建平,SHI Jian-ping(湖南核工业地质局304大队,湖南,长沙,410003)
张志勇,ZHANG Zhi-yong(东华理工大学,江西,抚州,344000)
邓居智,DENG Ju-zhi(中国地质大学(北京)北京,100083)
《热空气的特点》教学设计 第12篇
汽车空气流量计是汽车众多零部件中比较重要的一种传感器,它安装在汽车进气管道的空气滤清器之后,主要用于测量流经进气管道的空气流量大小。空气流量计测量进气量,并将此数值以电压信号的形式提供给汽车ECU,由汽车ECU根据此信号计算出燃油系统的喷油量。汽车流量计有不同的类型,根据测量原理不同,可以分为叶片式、卡门涡游式、热线式和热膜式流量计四种。其中,前两者为体积流量计,测量的是空气的体积流量,测量精度不高,受环境因素影响较大;后两者为质量流量计,测量的是空气的质量流量,测量精度较高,性能稳定[1]。目前市面上应用得比较广泛的主要是热式空气流量传感器。
热模拟是应用于多种领域的一种分析工具,在计算机、半导体集成电路、汽车电子、仪器仪表等多个领域都有广泛的应用。利用热模拟仿真对汽车流量计进行建模和热分析,可以真实的模仿电子设备的各种工作环境,设计者可以直观的看到汽车流量计在不同工况下的温度分布情况,从而有效改善产品的分布设计,同时,借助模拟仿真软件,可以大大减少产品设计和再设计的成本,缩短电子设备的研发周期,提高电子产品的性能和可靠性[2]。本文主要针对某一汽车流量计封装结构,基于Flotherm软件建立了两种热式汽车空气流量计的三维模型,并对两种方案进行热模拟,比较不同方案对流量计散热性能的影响。
2 空气流量计热模拟流程
FLOTHERM软件是由电子系统散热仿真软件先驱棗英国FLOMERICS软件公司开发的电子系统散热仿真分析软件,广为全球各地电子系统结构设计工程师和电子电路设计工程师使用的。Flotherm可以进行芯片和器件封装级热分析和热设计、PCB板级和模块级热分析和热设计、系统整机级热分析和热设计和环境级热分析和热设计等[3]。
2.1 建模
气体带走热量的多少和气体流量及气体温度有关,热式空气流量计是基于这一理论设计的[4,5],本文主要针对实验室自主研发的热式空气质量流量计进行分析研究。流量计包括传感器探头和控制电路板两部分。热探头包含一个测温电阻,一个加热电阻,一个温度补偿电阻。测温电阻的电阻很大(1K),本身发热可忽略不计,用于测量进气管道的空气温度(即环境温度),要求能够正常测量环境温度;加热电阻电阻很小,发热量大,用于对流过的空气加热,对周围的环境分布影响较大,设计时一般置于气流的下游,减少对测温电阻工作的影响;温度补偿电阻的作用在于,使得加热电阻温度比测温电阻温度高出一个固定温差值(设定为100度),即加热电阻温度和气体温度的差值固定,使气体带走的热量仅与气体的质量流量有关,从而可以建立起加热功率和气体流量之间的关系式[4,5];控制电路板上的元器件发热很小,对温度不敏感,总体功耗小,相比加热电阻,对整个流量计的温度分布影响很小,忽略其影响。
综上所述,在所设计的汽车空气流量计电路结构中,主要发热元件为加热电阻,温度在1 0 0℃以上,相对来说,加热电阻的温度要高出整个电路板上的其他元件很多,为简化模型,对流量计控制电路板上的元件发热可以忽略不计,另外,也不考虑封装过程各层之间的附加接触热阻。设计流量计电路结构的关键在于,希望加热电阻的热量能够尽量被气流带走,而不是通过热传导散失,流量计热探头上的测温电阻,其本身并不发热,要求其温度能够与进气管道的环境温度基本保持一致。
方案一,热探头上的三个温度元件测温电阻、加热电阻和温度补偿电阻,用厚膜印刷技术集成在陶瓷基板上,通过四个铜电极焊接在控制电路板前端,然后与不锈钢垫片连接,封装在流量计壳体中。建立模型如图1所示。加热电阻热量管道气体对流、热探头的氧化铝陶瓷基板热传导及辐射散热。其中,前两项散热量较大。我们希望加热电阻的功率能够尽量被气流带走,减少因热传导散失的能量,且不对同在热探头基板上的测温电阻造成很大影响[6]。
方案二,将热探头的三个温度元件用独立的铂电阻代替,分别和控制电路板端部的电极焊接好后,用透明的树脂材料胶结在不锈钢垫片上,然后封装在流量计壳体内。建模如图2所示。在这个方案中,加热电阻与测温电阻分离开,其热量经由进气管道空气对流、银丝导线与不锈钢垫片及控制电路板之间的热传导、辐射散热三种途径耗散。
2.2 网格划分和环境设置
模型建立好后,要进行网格划分。Flotherm的网格划分有系统网格和局部网格两种。系统网格由系统自由划分,分为none、coarse、middle、fine四种;局部网格由用户自定义划分。相比流量计控制电路板、流量计外壳以及外部环境(求解域),热探头尺寸很小,并且是需要着重分析的对象,网格划分需要很精细。流量计外壳和流量计控制电路板根据其尺寸比例,由系统自动划分。系统网格采用fine(精细)网格。
划分好的网格如图3所示。
(a)方案一网格划分
(b)方案二网格划分
图3网格划分
环境温度设置为20℃,计算域为100 mm100mm200 mm,且通过自然对流、传导和辐射进行散热。分别模拟流量计在静止环境中和气体流速为5m/s(对应62mm的管道,质量流量为60kg/h)时的温度分布。为了简化模型,不考虑封装过程各层之间的附加接触热阻。表1为流量计封装主要使用的材料及其热导率大小。
表1材料属性
2.3 后台处理和分析
通过后台处理计算,得到了流量计稳态温度场分布,虽然这并不一定是流量计的绝对的温度分布情况,但是在很大程度上可以反映流量计温度的相对分布状况。温度分布如图4所示。
从图4可以看出,在静止空气中,方案一热探头上的加热电阻的热量,除空气对流散热外,有相当一部分的能量通过热传导传给与之连接的控制电路板,导致整个流量计电路发热比较严重,其中控制电路板部分最低温度58.3℃,热探头测温电阻最低温度87℃;而方案二的热探头上的加热电阻的热量能够满足大部分被空气带走这一要求,控制电路板最高温度28.6℃,测温电阻最高温度39.5℃。
由表1可知,方案一的热探头采用的氧化铝陶瓷材料,其导热系数为25 Wm-1K-1,热阻很小,利于热传导,方案二采用的是透明树脂材料,其导热系数为0.2 Wm-1K-1,热阻较大。另一方面,方案一中将加热电阻、测温电阻集成印刷在陶瓷电路板上,加热电阻与测温电阻距离很小,使得加热电阻热量对测温电阻有直接影响。方案二将加热电阻与测温电阻分离开,使得加热电阻的热传导仅能通过导线传热,热阻更大,对测温电阻的温度影响减少,因此采用方案二的汽车流量计结构会更加合理可靠。
3 结束语
对于热式汽车空气流量计,热探头上加热电阻的热量不能全部被进气管道的气体带走,有相当一部分的热量会通过热传导散失。加热电阻热传导散热的多少与基板材料、热探头结构有关,采用分离式的热探头结构,可以有效减少其对周围元器件的温度分布影响。
利用热分析软件flotherm建模模拟,可以得到直观的流量计温度分布云图。根据分析结果,可以有效的改善产品结构,减少设计成本和产品设计周期。
摘要：空气流量计是汽车众多零部件中很重要的传感器,利用Flotherm软件建立了两种热式汽车空气流量计的三维模型,并对两种方案进行热模拟,比较不同方案对流量计散热性能的影响,所得结果对于热式汽车空气流量计的设计有一定指导意义。
关键词：热式空气流量计,Flotherm,热模拟,温度分布
参考文献
[1]吴克刚.温差式热膜空气质量流量传感器[J].长安大学学报(自然科学版),2002,22(5):86-88.
[2]李晶.利用Flotherm对大功率LED封装的热分析[J].闽西职业技术学院学报,2010,12(3):112-116.
[3]刘超,邵洪峰,李立京.Flotherm软件在光纤测井高温电路热设计中的应用[J].现代电子技术,2011,34(2):191-194
[4]南海,修吉平,魏华胜等.热导式智能气体流量计研究[J].中国铸机,1995,(2):51-52.
[5]SUMAL JAIHIND S,SAUER RUDOLF.Bosch massair flow meter:status and further aspects[J].SAE SpecialPublications,1984:19-28.
《热空气的特点》教学设计 第13篇
摘要：为了更准确地预测墙体内的温湿度分布，研究多孔介质墙体内的热、湿及空气耦合非稳态传递规律，以温度、相对湿度和空气压力为驱动势，考虑热传递、湿传递、空气渗透及其相互作用，建立了建筑多孔介质墙体热、湿及空气耦合传递非稳态模型，并采用有限元方法设计了相应的模拟计算程序.通过对比新建模型模拟结果与国际公认的HAMSTAD标准验证实例，验证了模型的正确性.
关键词：建筑墙体；非稳态；热、空气、湿耦合传递；含湿量；相对湿度
中图分类号：TU111.4文献标识码：A
Abstract：A coupled heat， air and moisture transfer model， which takes into consideration the heat transfer， moisture transfer and air convection and their coupled effect， was developed to predict the distribution of the temperature and humidity and to investigate the rule of the coupled heat， air and moisture transfer in walls. The temperature， relative humidity and air pressure were chosen as the driving potentials. A program based on the finite element method was developed to calculate the governing equations. And the numerical results of this model were compared with the internationally accepted HAMSTAD benchmarks， and the results agree well with each other.
Key words：building walls； transient； heat， air and moisture transfer； moisture content； relative humidity
建筑墙体多为多孔介质材料，建筑墙体热湿传递研究以多孔介质传热传质学为理论基础.Philip 与Devries[1] （1957年） 和Luikov[2] （1966年） 以温度和含湿量为驱动势，考虑多孔介质内热传递、湿迁移及其相互作用建立了多孔介质热湿耦合传递模型.在Philip与Devries和Luikov模型的基础上Kunzel[3]， Kong[4]， Chu[5]， Abahri[6]， Leskovsek[7]， Zhong[8]， Belarbi[9]， Qin[10]，李魁山[11]和郭兴国[12]等各自建立了多孔介质材料的热湿耦合传递模型.空气渗透对热湿传递过程的影响在上述研究中均未考虑.
建筑墙体长期暴露在非稳态气候条件下，由于室内外环境存在温度、湿度及空气压力梯度，这将导致墙体内的热传递、湿迁移及空气渗透.建筑墙体热湿耦合传递研究中忽略空气渗透对建筑墙体热湿传递过程的影响将不利于准确地分析建筑墙体内的温度和湿度分布.为了更准确地研究建筑墙体内的热湿耦合传递规律，刘晓燕等[13]建立了建筑墙体热、湿及空气耦合传递模型.该模型从微观的角度，通过定义气体所占体积百分比与液态水所占体积百分比来分别计算水蒸汽含量和液态水含量，但是在自然条件下很难将水的物相分开测量，模型参数难以确定.另外，该模型采用室外空气日平均温度作为室外边界条件，不能充分反应室外气候的逐时非稳态变化.本文在KUNZEL的研究基础上，通过考虑空气渗透，以室外气象条件作为边界条件，建立了一个以温度、相对湿度和空气压力为驱动势的建筑墙体热、湿及空气耦合传递非稳态模型.通过对比该模型模拟结果与HAMSTAD验证实例[14]，验证了模型的正确性.
1模型的建立
本文以相对湿度、温度和空气压力为驱动势，根据能量守恒和质量守恒定律建立墙体热、湿及空气耦合传递非稳态模型，并作如下假设：1）材料骨架是一个固定的、不变形的惰性骨架，不与液相、气相发生化学反应；2）墙体材料为各向同性的连续多孔介质；3） 温度对材料平衡含湿量的影响忽略不计；4）墙体材料中的水只有汽、液两相，材料中始终存在局部湿平衡；5）孔隙内的混合气体（湿空气）按理想气体处理； 6）多层墙体层与层之间的湿传递主要受边界湿传递阻的影响，如果不同层之间接触十分紧密，则湿阻较小，可认为这两种材料的边界表面处于湿平衡状态.
1.1湿传递
2模型求解
建筑墙体内热、空气、湿传递过程相互耦合，为了获得墙体内的温度和湿度分布，控制方程组需同时求解.本文采用有限元方法对控制方程组进行求解.时间步长可根据实际边界条件确定，本文将时间步长设定为1 h.
3模型验证
HAMSTAD验证实例是为了评价建筑物理领域热、空气、湿传递机理模型而建立的一个开放性平台.对比新建模型模拟结果与HAMSTAD验证实例是目前国际公认的建筑墙体热、空气、湿耦合传递模型验证方法.
HAMSTAD包含了5个验证实例，每个验证实例至少包含热传递、湿传递及空气渗透机理中的两项.本文通过对比新模型模拟结果与HAMSTAD验证实例3和5来验证模型的正确性.
3.1HAMSTAD验证实例3
如图 1～图 6所示，新模型模拟结果与HAMSTAD验证实例吻合良好，该模型能准确地预测建筑墙体内的温度和湿度分布.图中CTH， TUD， Technion和NRC表示参与HAMSTAD项目的其它研究机构的模拟结果，新建模型模拟结果表示本文所提出模型的模拟结果.
如图1，3，5所示，在20～21 d之间，由于压力梯度方向的改变，室外低温空气向室内渗透，墙体内温度迅速下降，快速接近室外空气温度.同样，如图2，4，6所示，由于室外空气的含湿量低于墙体内的含湿量，室外空气向室内渗透的过程中带走大量的湿，墙体内的含湿量快速降低.由此可见，建筑材料孔隙内的空气对流，对建筑墙体的热湿性能有重要的影响.
4结论
本文在Kunzel的研究基础上，通过考虑空气渗透，建立了一个以温度、相对湿度和空气压力为驱动势的建筑墙体热、湿及空气耦合传递非稳态模型，并采用有限元方法对该模型进行求解.该模型模拟结果与HAMSTAD验证实例吻合良好，结果表明该模型能准确地预测热传递、湿传递及空气渗透机理作用下建筑墙体内的温度和湿度分布.
参考文献
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