熱動專業(yè)“熱能轉換與利用”教學內容設計

龔志軍　武文斐

摘要：“熱能轉換與利用”課程是熱能與動力工程專業(yè)的專業(yè)特色課程。對于學生掌握熱能轉換與利用的基本原理和分析方法、實際轉換設備與轉換系統(tǒng)的特點和設計計算具有重要作用。本文針對熱能動力工程專業(yè)的要求，對教學內容的設計進行了探討，提出將熱力系統(tǒng)分析作為教學的主要側重內容，以培養(yǎng)學生的素質，開拓學生的視野。

關鍵詞：熱能動力；熱能轉換與利用；教學內容

中圖分類號：G642.41 文獻標志碼：A 文章編號：1674-9324（2015）03-0139-02

在能源的利用中，絕大部分是通過熱能這一形態(tài)加以利用的，或由熱能轉換成其他形式的能量后再加以利用。在未被充分利用的余能中，絕大部分也是以余熱的形式存在的。對各種余熱的回收與利用，也離不開熱能轉換與利用的知識[1]。自熱力學理論確立后，人們雖然從理論上認識到，熱力學過程中能量的交換及其利用，應根據熱力學第一定律和第二定律對能量的數量和品質兩方面進行分析研究。但是，在實際熱能工程技術的設計、管理和改進上，主要還是依據熱力學第一定律，即能量守恒與轉換定律。也就是說，只是單一地從能量的數量角度出發(fā)，以焓為基礎的熱平衡計算分析方法。然而，由于此法未考慮熱力學第二定律所表明的能量品質，因為人們生活在地球表面的一定客觀環(huán)境中，供給人們所需的能量有可以利用的部分（稱有用能或“火用”）和受環(huán)境限制無法利用的部分（稱無用能或“火無”），即相同數量的不同形式的能量所含的“火用”和“火無”的數量是不一定相同的，或者說能量還具有另一方面的問題——品質。因此，在認識所謂能量損失上就產生一定程度的混淆，由此在確定能量損失的分布及采取提高能量利用效率的技術措施時，就難免在熱力學上得出錯誤的結論，達不到預期的效果。為此，近幾十年來，國內外有關專家學者在熱力學的理論領域內和工程技術的管理上大力提倡把熱力學第一定律和第二定律綜合起來考慮，并以第二定律為主，即從熱力過程不可逆性引起可用能損失變成無用能的角度出發(fā)，以用火用為基準的火用分析方法來評價能量利用的科學性和合理性。由于此“火用分析法”中的“火用效率”更能準確地反映各熱力設備或整個裝置系統(tǒng)技術上或熱力學的完善程度，可以從中明確提高能源利用效率的正確目標，并采取相應的措施。所以最近幾十年來，前蘇聯(lián)、德、日、法、美等國家已將“火用分析法”廣泛應用于能源利用及動力、低溫、制冷、熱泵、化工、冶金等方面。最近二三十年來，我國也在火用分析的基礎理論及其實際應用方面做了大量的研究，并已引起了科技界和高等工科院校的廣泛重視。許多院校的熱動專業(yè)都增設了“火用分析”的相關課程[2]。

一、“熱能轉換與利用”課程定位

首先，從學科角度講，認識到“熱能轉換與利用”課程的銜接和過渡作用。本課程向上承接“工程熱力學”等前期專業(yè)基礎課程，是對上述基礎課程內容的擴展和深化；向下則與后續(xù)的“熱力發(fā)電廠”、“燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)發(fā)電”、“制冷與低溫技術”、“能源與節(jié)能技術”等專業(yè)課程緊密相連，為學生理解掌握相關專業(yè)知識奠定基礎[3]。熱能動力工程專業(yè)的學生通過本課程的學習，可掌握熱能轉換的基本原理，并具備一定的分析研究和解決熱能利用中的具體問題的能力，為今后在實際工作中，管好、用好能源，降低企業(yè)的能源消耗，提高能源利用率打下基礎。熱能轉換與利用內容豐富、發(fā)展迅速、學科交叉性強，涉及熱力學、流體力學、傳熱學等諸多專業(yè)課程，是熱能動力工程專業(yè)的一門重要的技術基礎課程。因此開設“熱能轉換與利用”課程非常必要，對于學生回顧深化所學過的“熱力學”等專業(yè)基礎課程，深入學習掌握后續(xù)專業(yè)課程，培養(yǎng)鍛煉學生利用所學理論知識分析、解決實際問題的能力，都有著非常重要的作用[4]。

二、熱能動力工程專業(yè)“熱能轉換與利用”課程設計

本課程要介紹有關熱能轉換與利用的基本原理、分析方法，以及實際轉換設備與系統(tǒng)地特點和設計計算方法。給學生在“工程熱力學”的基礎上提供“火用分析法”的基本理論、基本知識和基本方法，培養(yǎng)學生分析、解決實際問題的能力，為將來合理地利用能源及從事節(jié)能工作打下必要的基礎?！盁崮苻D換與利用”課程是熱能動力工程專業(yè)的專業(yè)必修課，共48學時。先后介紹了能源概論、能量轉換基礎、熱力系統(tǒng)分析、工業(yè)企業(yè)中的熱能利用、熱回收用換熱設備。

第1章能量概論，在介紹有關能源的一些基本概念的基礎上，認識熱能的重要性，了解熱能利用現(xiàn)狀。熱能是人類使用最為廣泛的一種能量形式，在一次能源中，熱能資源也占了絕大部分。在能源的利用中，絕大部分是通過熱能這一形態(tài)加以利用的，或由熱能轉換成其他形式的能量后再加以利用。在未被充分利用的余能中，絕大部分也是以余熱的形式存在的。

第2章能量轉換的基礎理論，重點介紹能量的質量分析—火用分析的方法。為了有效地利用熱能，正確地指導節(jié)能工作的開展，找到能量損失所在，需要結合熱力學第一定律和第二定律，從量和質兩個方面全面地進行分析。本章就是要運用工程熱力學理論，介紹分析能量轉換過程的方法，著重介紹火用分析的方法，詳細敘述了不同條件下的火用、火用損失的計算方法及其影響因素，并介紹實際熱工設備的火用平衡、火用效率的分析方法。

第3章熱力系統(tǒng)分析，是用火用分析方法具體分析熱力循環(huán)和熱力系統(tǒng)，弄清影響熱力系統(tǒng)效率的因素和提高效率的途徑。重點分析動力循環(huán)、熱電聯(lián)產系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng)，分析各個轉換過程及系統(tǒng)的火用損失大小，找到減少火用損失的主攻方向，提出改進整個熱力系統(tǒng)，提高火用效率的主要途徑。

第4章工業(yè)企業(yè)中的熱能利用，介紹企業(yè)中的余熱資源及其利用方法，分析企業(yè)的能源平衡、能耗指標以及余熱資源情況。介紹各種不同的余熱資源的回收方法、回收系統(tǒng)對節(jié)能效果的影響。提高企業(yè)的能源利用效率，挖掘節(jié)能潛力，對企業(yè)能源系統(tǒng)進行分析，通過能量平衡確定其有效利用部分和各項損失的大小，尋求減少損失及有效回收利用余能的途徑。

第5章熱回收用換熱設備，介紹余熱回收用的各種換熱器的工作原理、結構特點、設計計算方法、使用場合等內容，為今后進行余熱回收時，能正確選擇和設計計算換熱器，并為研究開發(fā)高效新型換熱器打下一定的基礎。同時介紹熱管換熱器、流化床換熱器等新型換熱器和換熱器的發(fā)展趨勢及優(yōu)化設計。endprint

課程內容分為理論與實踐兩部分，第一章、第二章運用熱力學基本理論闡述“火用”及“火用分析法”的基本概念、火用和火用損失的計算及火用分析的基本方法，即為火用和火用分析的基礎理論部分。第三～五章以工程實例說明火用分析法的具體應用，分別對蒸汽動力裝置、氣體動力裝置及制冷、熱泵裝置進行具體火用分析。并結合工業(yè)企業(yè)中的熱能利用介紹了余熱回收方法與換熱設備。對于本校的“熱能與動力工程專業(yè)”來說，本專業(yè)學生主要學習動力工程及工程熱物理的基礎理論，學習各種能量轉換及有效利用的理論和技術，訓練進行動力機械與熱工設備設計、運行、實驗研究的基本能力。專業(yè)培養(yǎng)方案設置了電廠熱能與動力工程、工業(yè)爐窯工程、制冷及低溫工程、供熱工程等方向的專業(yè)課程。從專業(yè)培養(yǎng)方案的設置可以看出“熱能轉換與利用”是熱動專業(yè)的基礎課程，熱能轉換與利用的熱力學基礎理論是熱動專業(yè)的理論基礎，熱能轉換與利用的熱力系統(tǒng)分析則是熱動專業(yè)的核心內容，包括蒸汽動力循環(huán)的系統(tǒng)分析、燃氣—蒸汽聯(lián)合循環(huán)系統(tǒng)分析、熱電聯(lián)產系統(tǒng)分析、中低溫余熱動力回收的熱力系統(tǒng)分析、熱泵系統(tǒng)分析等，是熱動專業(yè)的主要專業(yè)課程及核心課程。熱能轉換與利用課程的學習為后續(xù)的專業(yè)課程奠定了堅實的基礎，也為熱動專業(yè)的學習奠定了深厚的基礎。因此，我們提出將熱力系統(tǒng)分析作為教學的主要側重內容，熱能動力工程專業(yè)的學生通過本課程的學習，可掌握熱能轉換的基本原理，并具備一定的分析研究和解決熱能利用中的具體問題的能力，為今后在實際工作中，管好、用好能源，降低企業(yè)的能源消耗，提高能源利用率打下基礎。

三、結論

“熱能轉換與利用”課程在熱能與動力工程專業(yè)學生的學習過程中，起著承上啟下的銜接作用，課程內容非常重要。由于熱能轉換與利用發(fā)展迅速，內容豐富，本文以我校開設“熱能轉換與利用”課程的實踐為例，從“熱能轉換與利用”課程的定位、“熱能轉換與利用”課程教學內容的編排兩個方面進行了詳細的介紹。提出將熱力系統(tǒng)分析作為教學的主要側重內容，以培養(yǎng)學生分析、解決實際問題的能力，為將來合理地利用能源及從事節(jié)能工作打下必要的基礎。我?！盁崮苻D換與利用”課程的內容和教學體系設計總體上思路清晰、內容充實、層次分明，很好地完成了“熱能轉換與利用”課程的既定目標和要求。

參考文獻：

[1]湯學忠，熱能轉換與利用[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2002.

[2]吳存真，張詩針，孫志堅.熱力過程火用分析基礎[M].杭州：浙江大學出版社，2000.

[3]王保文，王為術，高傳昌.電廠熱能動力工程專業(yè)“燃燒學“教學內容設計[J].中國電力教育，2010，（30）：100-101.

[4]金晶，林郁郁，張守玉.熱動專業(yè)“清潔燃燒技術”教學內容設計[J].中國電力教育，2012，（34）：93-94.endprint