《压缩气体的应用》教学方案

《压缩气体的应用》教学方案（共4篇）

篇1：《压缩气体的应用》教学方案

一、教学任务分析

“压缩气体的应用”这节是这一章《分子和气体定律》的最后一节的内容，是在学习了气体的两条实验定律——玻意耳定律和查理定律后，应用两条气体的实验定律解释实际生活中的具体问题。

学习本节的知识需理解气体的两条实验定律，即玻意耳定律和查理定律，理解气体的体积和温度发生变化时，气体的压强会随之发生变化。一定质量的气体，在温度一定时，减小气体的体积可以增加气体的压强;在体积一定时，升高温度可以增加气体的压强。

本节教学中，首先通过一些生活中具体的实例引入压缩气体的概念，然后，让学生动手实验——“扁平塑料瓶实验”，明白一定质量的气体，保持温度不变并减小其体积，就可以获得压缩气体。通过对气体实验定律的复习，知道一定质量的气体，当体积不变时，通过升高温度的方法也可以获得压缩气体。然后，再运用这一知识解释大客车车门开关结构和宇航员的宇航服问题，以及解释高压锅的问题。并指导学生动手制作沉浮子，体会和解释潜水艇的工作原理。

本节教学中，从对压缩气体的实际运用，感悟科学、技术和社会发展之间的关系，体会从生活到物理，再从物理到生活的物理思想方法。

二、教学目标：

1、知识与技能：

(1)知道压缩气体，知道压缩气体在实际生活中有着非常广泛的应用。

(2)知道获得压缩气体的两种方式：保持一定质量的气体温度不变，减小气体的体积;保持一定质量的气体体积不变，升高温度，以获得压缩气体。

2、过程与方法：

(1)通过对“扁平塑料瓶实验”的分析和研究，明白一定质量的气体，如果温度不变，减小气体的体积就能获得压缩气体。

(2)通过气体实验定律的复习，明白一定质量气体，如果体积不变，升高气体的温度就能获得压缩气体。

(3)运用所学的气体实验定律，通过学生间的交流与讨论，分析并解释大客车车门的开关结构、宇航员的宇航服和沉浮子等生活实际现象中的物理原理。

3、情感、态度与价值观：

(1)通过了解压缩气体在生活中非常普遍的运用，感悟科学、技术与社会发展之间的关系。￥资%源~网

(2)通过对生活实际中压缩气体的应用实例的分析和讨论，激发学习兴趣，体会从生活到物理，再从物理到生活的思想方法。

(3)通过实验和讨论，体会分工合作在实验中的作用，增加合作意识。

三、教学重点和难点：

重点：

(1)了解压缩气体的获得过程。

(2)了解压缩气体在实际生活中的应用，并能运用所学的知识解释这些现象。

难点：综合应用气体的实验定律来解释生活实际中的压缩气体的应用问题。

四、教学资源：

器材：充满气体的气球、底部刺孔的扁平塑料瓶、水、量筒、橡胶薄膜，小瓶

五、教学设计思路：

本设计的内容包括三个方面：一是通过实际例子提出压缩气体的概念，二是研究获得压缩气体的两种方法：对扁平塑料瓶的实验研究，得到一定质量的气体在温度一定时，减小气体体积可增加气体的压强;从气体的实验定律出发，得到要获得压缩气体，也可使一定质量的气体，在体积一定时，升高温度，三是应用所学的知识解释实际生活中压缩气体的问题。

本设计的基本思路是：从生活实际中的问题出发，激发学生的学习兴趣，并提出压缩气体的概念，然后，从简单的实验着手，加上通过前两节所学的气体两条实验定律的复习得出获得压缩气体的两种方式：一定质量的气体在温度一定时，减小气体体积可增加气体的压强;一定质量的气体，在体积一定时，升高温度也可得到压缩气体。再引导学生运用所学的气体实验定律解释生活实际中压缩气体的问题。

本设计要突出的重点是：压缩气体的获得以及压缩气体在实际生活中的应用。方法是让学生自己动手做扁平塑料瓶的实验和复习学过气体的两条实验定律，将所学的知识与生活实际相结合，先讨论得到获得压缩气体的两种方式，再例举一些实际中压缩气体的应用实例，引导学生运用所学知识解释实际的问题，再组织学生动手做沉浮子实验，进一步体会所学的知识，加深对知识的理解。

本设计要突破的难点是：综合应用气体的实验定律来解释生活实际中的压缩气体的应用问题。方法是：先通过扁平塑料瓶实验激发学生的学习兴趣，引导学生从现象中找规律，再通过两条气体实验定律的复习，加深对压缩气体的理解。再通过例举学生熟悉的大客车车门、宇航服、高压锅以及潜水艇等问题，与学生共同讨论压缩气体的问题。

本设计中通过学生动手实验和复习学过的气体实验定律的知识两个角度着手，研究压缩气体，并运用所学的知识解释压缩气体在实际中的运用实例。通过学生动手实验，可以激发学生学习兴趣，感悟生活中的压缩气体的实际运用;通过学生的相互合作，共同讨论，培养学生的合作意识，并学会将所学的物理知识运用到实际生活中。

完成本设计的内容需一课时。

六、教学流程

1、教学流程图

2、流程图说明

情景 例举实例，展现图片。展示生活中爆米花的图片，体会压缩气体在实际生活中的运用，从而引入课题。

实验1 挤压充满气体的气球，感悟到气体体积越小，压强越大，从而引入压缩气体的概念。

实验2 扁平塑料瓶实验，观察盖紧和打开瓶盖两种情况下，水流的情况，再从不同的方向挤压塑料瓶，观察水流的情况。从实验中体会，一定质量的气体，当温度不变，减小气体体积时，压强增大，水流加快。

实验3 动手制作沉浮子，体会压缩气体的应用，学会运用所学知识进一步解释实际问题。

应用1 展示大客车的车门开关的原理图，运用所学的知识解释这一现象，体会压缩气体在实际中的一种应用。

应用2 观察宇航员的宇航服在太空中的情况，讨论、分析，如何将膨胀的宇航服体积减小。这一问题可以有不同的解决方法，从而进一步理解，获得压缩气体不同途径。

应用3 分析高压锅的工作原理。并通过具体的运算，体会升高温度从而获得压缩气体的方法。

3、教学主要环节 本设计可分为四个主要的教学环节。

第一环节，从学生身边的实例出发，结合学生所熟悉的问题，引入压缩气体的概念。

第二环节，让学生动手操作并观察“扁平塑料瓶”实验，体会获得压缩气体的第一种方式，即一定质量的气体在温度一定时，减小气体体积可增加气体的压强。再复习学过的气体实验定律，归纳得到一定质量的气体，在体积一定时，升高温度，也可得到压缩气体。

第三环节，应用所学的知识解释实际生活中压缩气体的问题。

七、教案示例

1、引入课题

情景 展现一组生活实际中的爆米花的实例图片(如图所示)。

问题 大家看见过爆米花吗?为什么最后“砰”的一声巨响后可以把玉米爆成爆米花?

讨论 学生猜测中的原因。

实验1 展现一个充满空气的气球，请学生用力挤压，体会体积不断减小时，手上感觉到压力越来越大。

提出概念 像上面所举的实例中可看出气体温度或体积改变时，气体的压强会随之发生变化。我们把储存在高压容器中的气体称为压缩气体。

篇2：《压缩气体的应用》教学方案

C7H16-O2-N2预混气体压缩点火过程的数值模拟

采用庚烷氧化的最新化学反应动力学机理(包含57种组分,290个基元反应)对模型燃烧室内的庚烷-空气混合气的压缩点火过程进行了数值模拟.计算了不同初始压力、不同初始温度下的点火过程;预测了燃烧室内部分稳定物质和自由基的`摩尔分数及其在各个反应中的产生或消耗速率,以及温度和压力等参数随时间的变化过程,并根据计算结果从化学反应动力学机理的角度讨论了庚烷的压缩点火过程.

作 者：杨锐 蒋勇 汪箭 范维澄 作者单位：中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室,安徽,合肥,230026刊 名：爆炸与冲击 ISTIC EI PKU英文刊名：EXPLOSION AND SHOCK WAVES年，卷(期)：23(2)分类号：O362 TD712.7关键词：流体力学 压缩点火 化学动力学机理 数值模拟

篇3：《压缩气体的应用》教学方案

关键词：空分,压缩机,防喘振阀,防振动

近年来, 国内大功率气体压缩机年引进数量成倍增长, 尤其是煤化工行业的新上项目对各类压缩机的需求日渐增大。但是各化工企业在这些压缩机设计之初, 往往忽视了压缩机高频振动给压缩机上的仪器仪表带来的巨大影响, 使得压缩机在制造时, 未充分考虑仪器仪表防振动的问题, 从而在试车、开车运行阶段, 压缩机管道中介质 (尤其是气体) 强烈的紊流和流速过快引起管线强烈振动, 造成防喘振阀门阀杆振断, 定位器及其电路附件损坏。由于不能很好解决压缩机引起的管线振动, 因而笔者就从防喘振阀定位器及其电路附件构造本身减少干扰出发进行分析、研究和改造, 使压缩机防喘振阀向更稳定、可靠的方向发展。

1 空分装置气体压缩机使用现状

1.1 空气压缩机防喘振阀定位器及其电路附件

STC-SR空气压缩机防喘振阀是Vetec公司生产的72.3F型降噪偏心旋转阀, FV7038作为防喘振放空阀, FV7039作为防喘振回流阀;STC-GV空气压缩机防喘振阀是Vetec公司生产的73.7 F型降噪偏心旋转阀, FV7259作为防喘振放空阀, FV7258作为防喘振回流阀。它们均采用了SIEMENS的单作用SIPART PS2 6DR5***系列电气阀门定位器。从运行结果分析, 改造之前采用的电气阀门定位器具有可靠性、稳定性和安全性差的缺点。

1.2 氮气压缩机防喘振阀定位器及其电路附件

神华宁煤煤气化配套制氮机采用了额定功率为3 850kW的GT 050N1K1电拖型氮气压缩机, 其防喘振阀是Arca公司生产的Typ 6N7-L1型降噪套筒阀, PV7318作为防喘振回流阀采用了Arca的单作用827A.***系列电气阀门定位器。

该阀安装位置的工艺管道长度小, 氮气流入前和流出后经过直角管段均产生回转, 造成管道的剧烈振动, 经观测其主要在启机增加负荷时、关阀过程和正常工况下因后续工段用氮量变化而自动调节时振动最为剧烈。原智能定位器安装在阀体上, 随阀门振动而剧烈振动, 极易造成定位器内部元器件松动及损坏等, 从而产生误动作导致氮压机跳车, 影响后续工段运行。因此需对工况重新评价, 为避免管道振动对定位器的影响进行改造是必要的。

2 改造方法

其改造的设计思路为:

a. 更换定位器。采用电路较多的单元与机械结构较多的单元分开安装代替只能安装在阀门上的一体化定位器。具有机械结构较多、抗振性好的阀位反馈模块安装在阀杆连接处;电路较多的主定位器单元从阀门上剥离, 安装在振动较弱的远端, 不再安装在阀门本体上。

b. 更换气源管。采用不锈钢金属编织PTFE内衬挠性软管代替不锈钢TUBE气源管。

c. 更改气动放大器 (即流体增压器) 安装位置。气动放大器垂直安装改为水平安装。

2.1 阀门定位器及其附件选用

2.1.1 定位器

空气压缩机防喘振阀采用Fisher公司生产的DVC 6035-FM远程安装型定位器;氮气压缩机采用Fisher公司生产的DVC 6015-MTG远程安装型定位器。利用安装在阀门行程杆上的阀位反馈模块电路结构少的特点, 通过一根两芯线即可将信号传至主定位器DVC 6035-FM或DVC 6015-MTG上, 同时提供24VDC电源和4～20mA回讯信号, 减少了一根分支电缆。

2.1.2 变送器

阀位反馈单元采用EMERSON公司生产的TRI-LOOP333模拟量变送器作为阀位反馈变送器, 安装在机柜室机柜内的变送器代替原一体化定位器内的反馈电路板, 避免多电路附件对阀门定位器的影响。

2.2 改造前后气路图

以FV7038和FV7039为例, 改造前后气路如图1所示。

以PV7318为例, 改造前后气路如图2所示。

3 改造效果

3.1 调试时注意事项

由于防喘振阀的控制特点要求快开慢关, 因此一般在气路上均配以气动放大器 (即流体增压器) 实现快开、 (单向) 阻尼器 (即节流调节阀) 实现慢关功能, 但是与Fisher DVC 6000系列相配时一般仪表维护人员往往调试的阀门定位不准确, 波动较大, 不能稳定阀位, 从而影响工艺人员对压缩机防喘振控制判断。笔者根据在多套大小型压缩机防喘振阀上的调试经验, 总结出以下几点注意事项:

a. 过滤减压阀的压力必须严格参照阀门铭牌上的要求供气压力调节, 不能超过要求的压力。

b. 进入“Out of service”, 需要特别注意将“Tvl Tuning Set (行程整定参数组) ”设置为H (有的技术人员推荐设置为C或D, 但经过笔者试验, 在防喘振阀中设置H为宜) , 设置完参数再自动校验。

c. 进入“Device Variables”, 观察其中“2. Tvl Set Pt”、“3. Travel”和“Drive Signal”之间的数值应当相互对应, 对气动放大器和阻尼器的微调旋钮进行手动调校。

d. 最后对电磁阀进行失电试验, 观察阀门全开时间是否满足快开时间要求, 若不满足检查气动放大器的调节螺杆是否松动或再次调整。

e. EMERSON的TRI-LOOP333模拟量变送器与Fisher DVC 6000的连接、设置、建立通讯。

3.2 改造特点及效果

从改造和运行实践综合分析, 分体式防喘振阀定位器具有以下优点:

a. 安全可靠。表现在两个方面——改造后气路控制精准, 使敏感电子元件不受影响;改造后阀门定位准确、无喘动, 避免了超调的可能。

b. 减少维修次数。安装在阀门本体上的电子元件减少, 阀门反馈模块故障率低, 故障原因较易查找, 且便于维护。

c. 气路、电路结构简单。既不像传统全机械式气动定位器结构复杂, 又结合了电气定位器灵敏性高和纯气动定位器不受外界干扰的双重优点。

d. 投入产出比高。一次改造完成, 既解决了一体化定位器频繁损坏更换的备件昂贵费用, 又减少了因定位器损坏使装置、设备停车而发生的产量损失、产品浪费。

但是, EMERSON的TRI-LOOP333模拟量变送器作为阀位反馈变送器在一旦断电或回路断开后, 就会进入锁死状态, 导致阀位反馈信号出现坏值, 必须用HART 375重新激活才可以正常使用, 笔者对此会继续跟踪研究。

截止目前, 神华宁煤煤气化配套空分装置的压缩机因此影响停车减少的次数降至零。按照改造之前, 空分装置一体化定位器每3个月就要损坏一个, 峰值时一个月就要损坏一个, 空分装置停车一次影响全厂产甲醇3 000t/d (气化炉运行3台炉子折算) , 甲醇目前市场价格每吨为2 500元, 以此折算, 将每天影响产值750万元, 而更换一体化定位器往往需要3h之多, 从停车、检修、开车需要花10h左右, 那么一次停车将损失312.49万元, 若按照下游最终产品聚丙烯及其附加产品混合芳烃、硫磺、LPG折算, 损失费用还将大幅增加。神华宁煤煤气化配套空分装置的压缩机防喘振阀改造于2011年3月全部完成, 按此后时间计算, 光此项改造在节约停车损失、生产成本增加方面达到938.5万元以上。

4 结束语

篇4：《压缩气体的应用》教学方案

数值仿真软件现阶段的发展趋势是将众多专业的研发工具构成系统平台，针对叶轮机械产品，基于设计、分析和优化设计流程，其对数值仿真软件有更专业独特的要求。

参数化拟合／建模技术

参数化几何建模技术是虚拟制造技术和性能优化设计的基础和前提，随着计算机仿真技术的发展，参数化技术的应用日益广泛，有利于设计者通过设计参数驱动产品的几何模型。如图1所示，NLIMECA公司的Autoblade软件是针对叶轮机械开发的参数化几何建模工具，通过与CFD软件和优化算法相结合实现产品的逆向研发，可大幅度的提高产品的设计效率，降低产品设计成本。Autoblade在传统的参数化建模技术基础上有以下三个独特之处：

1）基于叶轮机械的几何建模流程和模型特征；

2）采用内置的参数化模板对原型几何进行参数化拟合，并具有定量评估功能；

3）与NLIMEcA公司的FINE／Design3D性能优化软件实现在性能优化流程中的批处理集成调用。

基于向导模式的模板化网格划分技术

基于向导模式的模板化网格划分流程，最友好的用户操作界面，最少的参数输入，对于软件的初次使用者，模板化是网格划分的标准化形式，便于针对具有不同几何特征的提供与之对应的网格模板文件，提高网格划分质量，降低网格划分时间。网格划分向导模式如图2所示。

基于美国标准技术委员会NIST／RefProp的物性定义

基于美国标准技术委员会的NIST／Refprop权威物性数据库，NUMECA开发了热力学物性表生成工具TabGen，可轻松实现各种石化混合气体特性的准确定义。尤其适用于石油混合气体的高温高压工作条件下复杂物性定义，如：天然气、氮气、甲烷、各种冷媒、乙烯和氨气等。TabGen的软件操作界面如图3所示。

软件算法加速收敛技术

软件算法加速收敛技术－CPUBooster在保证精度和准确度的前提下，可将CFL数设为恒定值1000，从而大幅缩短了计算时间，将计算流程效率提高一个量级。尤其适用于在硬件计算能力不能满足用户快速计算要求的情况下，某多级叶轮机械典型应用如图4所示。

多物理场耦合技术

目前在工程流固耦合数值模拟仿真应用中，湿模态法流固耦合技术是通过导入结构的模态刚度矩阵以实现模态法进行叶轮流固耦合，计算过程中无需调用外部固体有限元分析软件，利用模态分析得到几何的固有特征（包括固有频率、固有振型和阻尼），实现叶片气动弹性稳定性分析，是最适用于工程快速准确的流固耦合分析。某叶轮机械采用FINE／turbo软件进行流固耦合分析如图5所示。

离心叶轮机械中气动噪声是最主要的噪声源，特别是某些噪声的频率与人的内脏器官固有频率相接近，引起共振，使人产生头晕、恶心、心律过速、高血压等症状，不仅导致人们的工作和生活质量下降，而且容易引发安全事故。某离心风机采用VNoise软件进行声辐射分析如图6所示。

高性能并行计算技术

为了更加清晰精细地捕捉叶轮机械中发生的局部细节流动现象，挖掘叶轮机械性能提升的潜力，网格规模呈现指数型增长的趋势，以摩尔定律发展的计算机硬件计算能力远远不能满足高保真度工业数值仿真需求，所有的工业仿真需求迫使数值模拟软件在并行计算能力上取得突破，图7为FINE／Trurbo软件在美国田纳西州橡树岭国家实验室克雷公司的美洲豹超级计算机上5亿网格并行计算测试结果，采用了结构化网格虚拟并行网格分区的独有先进技术。

多学科优化设计平台

在产品设计研发初始阶段，工程师是基于单学科问题进行设计，但在设计研发的最终阶段，务必需要考虑系统运行的复杂性，就必须进行多学科优化设计。FINE／Design3D是目前唯一的针对旋转机械行业的全三维优化设计平台，根源于NUMECA公司深厚的叶轮机械专业背景和强大的创新能力，将参数化拟合／建模技术、现代优化理论（基因遗传算法、人工神经网络、试验设计方法……）和计算流体力学软件无缝集成的优化设计平台，可通过开发接口将固体有限元软件集成进来，构成多学科优化设计平台。离心压缩机优化前后性能曲线图8所示，原始叶轮，单流场优化叶轮、流场和固体场多学科优化叶轮的应力分布对比情况如图9所示。

不确定性分析

随着CFD技术的飞速发展，采用概率和数理统计方法实现CFD结果的不确定性分析和稳健设计逐步进入工程师的研究领域，运行条件和几何的不确定性主要包括：制造加工误差，边界条件波动，数学物理模型和数值误差等。在缺乏实验数据进行CFD可信度校核之前，基于概率分布函数的不确定性分析技术是唯一可选的CFD结果置信度评估工具，图10和图11为FINE／Turbo软件对NACA0012翼型进行不确定性分析的流场结果。