工程熱力學(xué)理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)探討

李季 郭民臣

[摘 要]工程熱力學(xué)是能源與動(dòng)力工程等專(zhuān)業(yè)的核心基礎(chǔ)課程，課程概念繁多、內(nèi)容抽象、工程應(yīng)用廣泛。可以以課程中的重要知識(shí)點(diǎn)回?zé)釣槔瑢⒄n程理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)緊密結(jié)合，引入不同領(lǐng)域的實(shí)踐教學(xué)案例，對(duì)課程內(nèi)容進(jìn)行應(yīng)用和拓展。同時(shí)結(jié)合熱力學(xué)經(jīng)典理論，分析和闡釋回?zé)嶂R(shí)點(diǎn)的本質(zhì)和精髓——“溫度對(duì)口，梯級(jí)利用”。通過(guò)理論與實(shí)踐相結(jié)合的教學(xué)，能提高學(xué)生對(duì)工程熱力學(xué)重要知識(shí)點(diǎn)的深入理解。

[關(guān)鍵詞]工程熱力學(xué);實(shí)踐教學(xué);回?zé)嶂R(shí)點(diǎn)

[中圖分類(lèi)號(hào)] G642.3 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2019）03-0053-03

工程熱力學(xué)課程是一門(mén)經(jīng)典的理論課程，課程闡述了熱能的有效利用以及熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的基本規(guī)律，并以熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律為理論基礎(chǔ)，對(duì)實(shí)際熱工設(shè)備的能源轉(zhuǎn)換和能源利用問(wèn)題進(jìn)行分析，以提高能源轉(zhuǎn)換效率。工程熱力學(xué)是一門(mén)理論與實(shí)踐結(jié)合緊密的課程，課程的實(shí)踐性強(qiáng)，不僅在能源與動(dòng)力工程學(xué)科，在其他學(xué)科也有著廣泛的應(yīng)用，包括核電、建環(huán)、制冷、航天、航空、化工等領(lǐng)域。該課程具有概念繁多、內(nèi)容抽象、系統(tǒng)性強(qiáng)、工程應(yīng)用廣泛等特點(diǎn)，如何將抽象的理論知識(shí)與復(fù)雜的工程實(shí)踐進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，有效解決實(shí)際工程問(wèn)題，是課程教學(xué)中所面臨的挑戰(zhàn)。華北電力大學(xué)工程熱力學(xué)課程面向能源與動(dòng)力工程專(zhuān)業(yè)本科生教學(xué)，側(cè)重于電廠熱能動(dòng)力工程方向，將熱力學(xué)基礎(chǔ)理論與實(shí)踐應(yīng)用有效結(jié)合。針對(duì)工程熱力學(xué)課程教學(xué)和改革的研究已廣泛開(kāi)展[1-5]，本文以課程中的重要知識(shí)點(diǎn)回?zé)岣拍顬槔?，將熱力學(xué)基本理論與專(zhuān)業(yè)實(shí)踐相聯(lián)系，深化學(xué)生對(duì)基本概念的理解，強(qiáng)化課程的實(shí)踐應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生對(duì)專(zhuān)業(yè)的認(rèn)知感和實(shí)踐能力。

一、回?zé)嵩谡n程中的理論講解

回?zé)崾枪こ虩崃W(xué)中的重要知識(shí)點(diǎn)，其對(duì)于理解火電廠熱力系統(tǒng)的工作原理、理解火電廠節(jié)能思路非常重要，而且在后續(xù)課程傳熱學(xué)、汽輪機(jī)原理、熱力發(fā)電廠中該知識(shí)點(diǎn)都有體現(xiàn)?；?zé)岣拍畹亩x為[6]：利用工質(zhì)排出的部分熱量來(lái)加熱工質(zhì)本身的方法稱(chēng)為回?zé)帷；責(zé)岬母拍钤跓崃W(xué)第二定律之概括性卡諾循環(huán)的描述中首次出現(xiàn)，概括性卡諾循環(huán)原理中還提出了極限回?zé)岬母拍睢?/p>

極限回?zé)崾侵笇⒐べ|(zhì)排出熱量的最大部分用于加熱工質(zhì)，即圖1中將過(guò)程bc向低溫?zé)嵩磁懦龅臒崃浚娣ebhgcb）全部用于過(guò)程da吸熱所需要的熱量（面積afeda，等于面積bhgcb），由于da的熱量是從循環(huán)內(nèi)部提供的，并不是從高溫?zé)嵩次盏臒崃?，因此循環(huán)的吸熱量為等溫過(guò)程ab所吸收的熱量，放熱量為等溫過(guò)程cd所放出的熱量。

回?zé)岣拍钤诠こ虩崃W(xué)中多次出現(xiàn)，除熱力學(xué)第二定律之概括性卡諾循環(huán)外，帶有回?zé)岬膲嚎s空氣制冷循環(huán)、帶有回?zé)岬娜細(xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)中都提到回?zé)岬母拍頪7]。如圖2所示，帶有回?zé)岬膲嚎s空氣制冷循環(huán)是利用冷卻器中出來(lái)的熱空氣的熱量（對(duì)應(yīng)右側(cè)T-s圖的4-5過(guò)程），對(duì)冷藏室出來(lái)的冷空氣進(jìn)行加熱（T-s圖1-2過(guò)程）;如圖3所示，帶有回?zé)岬娜細(xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)是利用燃?xì)馔钙街谐鰜?lái)的溫度較高的廢氣（T-s圖4-6過(guò)程），對(duì)壓氣機(jī)出來(lái)的溫度較低的空氣進(jìn)行加熱（T-s圖2-5過(guò)程）。

通過(guò)以上幾部分對(duì)回?zé)嶂R(shí)點(diǎn)的精講，學(xué)生基本掌握了基本概念和工作原理，但由于概念比較抽象，講解過(guò)程中理論性較強(qiáng)，學(xué)生又是第一次接觸回?zé)岬母拍?，部分學(xué)生對(duì)概念理解不透徹，無(wú)法與專(zhuān)業(yè)實(shí)踐相結(jié)合。除了理論上對(duì)照設(shè)備圖講解工作原理，對(duì)照T-s圖分析工作過(guò)程外，更重要的是將理論與實(shí)踐相結(jié)合，通過(guò)生活中的案例使學(xué)生理解概念的目的，強(qiáng)調(diào)回?zé)岬哪康氖抢霉べ|(zhì)向低溫?zé)嵩磁懦龅臒崃浚础坝酂帷钡母拍?，?duì)系統(tǒng)中冷的工質(zhì)進(jìn)行加熱，即“預(yù)熱”的概念，目的是提高循環(huán)的經(jīng)濟(jì)性。如汽車(chē)冬天開(kāi)熱風(fēng)實(shí)際上就是利用發(fā)動(dòng)機(jī)散熱所提供的熱量，利用發(fā)動(dòng)機(jī)的余熱對(duì)進(jìn)入車(chē)內(nèi)的冷空氣進(jìn)行預(yù)熱，為車(chē)內(nèi)提供熱風(fēng)，并不增加汽車(chē)油耗，可節(jié)約部分能源。此外，回?zé)嶙鳛樘岣邿嵝实囊环N行之有效的方法，在熱動(dòng)裝置中已被廣泛采用，如斯特林發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)、燃?xì)鈩?dòng)力裝置循環(huán)以及大中型蒸汽動(dòng)力裝置循環(huán)普遍采用回?zé)嵯到y(tǒng)。

二、回?zé)嵩陔姀S中的應(yīng)用拓展

工程熱力學(xué)在精講理論的基礎(chǔ)上，將理論與實(shí)踐結(jié)合，這有益于加深學(xué)生對(duì)課程中比較抽象概念的理解，其中將火電廠能動(dòng)專(zhuān)業(yè)實(shí)踐的案例在課程中進(jìn)行應(yīng)用和拓展的效果尤其明顯。蒸汽動(dòng)力裝置中的抽汽回?zé)嵫h(huán)即為回?zé)嶂R(shí)點(diǎn)在火電廠中的應(yīng)用，是典型的專(zhuān)業(yè)實(shí)踐教學(xué)案例。火電廠熱力系統(tǒng)采用多級(jí)抽汽方式，利用汽輪機(jī)抽汽加熱鍋爐低溫給水，是典型的回?zé)岣拍睢D4為火電廠抽汽回?zé)嵫h(huán)設(shè)備圖和T-s圖（以二級(jí)抽汽回?zé)嵫h(huán)為例）。

回?zé)崞鳎姀S稱(chēng)為加熱器）的本質(zhì)是冷熱工質(zhì)進(jìn)行熱量交換的設(shè)備，從汽輪機(jī)中的高溫抽汽在回?zé)崞髦蟹艧?，從凝汽器中的低溫給水在回?zé)崞髦羞M(jìn)行吸熱。如圖4所示，從鍋爐過(guò)熱器中產(chǎn)生的過(guò)熱蒸汽進(jìn)入汽輪機(jī)做功，做功到第一級(jí)抽汽壓力時(shí)（T-s圖1-6過(guò)程），抽取少部分蒸汽進(jìn)入一號(hào)回?zé)崞鳎嘞碌恼羝^續(xù)做功到第二級(jí)抽汽壓力時(shí)（T-s圖6-8過(guò)程），再抽取少部分蒸汽進(jìn)入二號(hào)回?zé)崞鳎Ｓ嗟恼羝谄啓C(jī)中繼續(xù)做功到乏汽的壓力（T-s圖8-2過(guò)程），再進(jìn)入凝汽器放熱（T-s圖2-3過(guò)程）;從凝汽器出來(lái)的凝結(jié)水經(jīng)水泵1加壓后首先進(jìn)入二號(hào)回?zé)崞?，由二?jí)抽汽對(duì)其進(jìn)行預(yù)熱，在回?zé)崞髦械蜏爻槠诨責(zé)崞髦蟹艧幔═-s圖8-9過(guò)程），凝結(jié)水在回?zé)崞髦羞M(jìn)行吸熱（T-s圖3-9過(guò)程）;從二號(hào)回?zé)崞鞒鰜?lái)的給水，經(jīng)水泵加壓后，隨后繼續(xù)進(jìn)入一號(hào)回?zé)崞鳎?jí)抽汽對(duì)其進(jìn)行預(yù)熱，在回?zé)崞髦懈邷爻槠诨責(zé)崞髦蟹艧幔═-s圖6-7過(guò)程），凝結(jié)水在回?zé)崞髦羞M(jìn)行吸熱（T-s圖9-7過(guò)程）;從一號(hào)回?zé)崞鞒鰜?lái)的給水，經(jīng)給水泵加壓后，再進(jìn)入鍋爐中進(jìn)行加熱過(guò)程（T-s圖7-1過(guò)程）。

回?zé)崞饔袃煞N形式，一種是混合式的，抽汽與給水直接混合換熱，回?zé)崞鞒隹跍囟冗_(dá)到抽汽壓力下的飽和溫度;另一種是表面式的，抽汽與給水不直接接觸，通過(guò)換熱器壁面交換熱量。火電廠300MW以上機(jī)組多采用“三高四低一除氧”的8級(jí)抽汽方式，即有3個(gè)高壓回?zé)峒訜崞鳎?個(gè)低壓回?zé)峒訜崞鳎?個(gè)除氧器;除氧器為混合式加熱器，其他回?zé)崞鳛楸砻媸郊訜崞鳌?/p>

回?zé)嶙鳛樘岣邫C(jī)組經(jīng)濟(jì)性的有效手段，在火電廠中應(yīng)用非常廣泛。除抽汽回?zé)嵯到y(tǒng)外，電廠中空氣預(yù)熱器利用鍋爐尾部煙氣的余熱加熱低溫冷空氣，同樣是回?zé)岣拍畹膽?yīng)用。此外燃?xì)?蒸汽聯(lián)合循環(huán)電廠中，利用燃?xì)廨啓C(jī)透平排出的較高溫度的廢氣對(duì)蒸汽動(dòng)力循環(huán)中的工質(zhì)進(jìn)行加熱，也是回?zé)岣拍畹耐卣埂?/p>

工程熱力學(xué)中除了采用火電廠的實(shí)踐教學(xué)案例外，在其他行業(yè)中的實(shí)踐教學(xué)案例也很豐富，如回?zé)嵯到y(tǒng)中在汽車(chē)中的應(yīng)用，利用發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液加熱冷空氣;在制冷系統(tǒng)中的應(yīng)用，利用進(jìn)入節(jié)流閥前的高壓液態(tài)制冷劑加熱從蒸發(fā)器出來(lái)的制冷劑蒸汽;在生活中的應(yīng)用，飲水機(jī)中利用沸水對(duì)冷水預(yù)熱產(chǎn)生溫水，此外工業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中余熱的回收，都是利用溫度較高的余熱對(duì)溫度較低的工質(zhì)進(jìn)行預(yù)熱，這些都是回?zé)岣拍畹耐卣?。關(guān)于回?zé)岬难芯吭诟鲗W(xué)科領(lǐng)域中也已經(jīng)廣泛開(kāi)展[8-11]。

三、回?zé)岣拍畹木璺治?/p>

回?zé)岬哪康氖翘岣哐h(huán)熱效率，基本原理是根據(jù)熱力學(xué)第二定律卡諾循環(huán)熱效率基本公式，對(duì)于多熱源的可逆循環(huán)，其熱效率公式為：

以帶有回?zé)岬娜細(xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)為例，如圖3中T-s圖所示，不采用回?zé)釙r(shí)，循環(huán)中工質(zhì)的吸熱過(guò)程是2-3，放熱過(guò)程是4-1;采用回?zé)岷?，循環(huán)中工質(zhì)的吸熱過(guò)程是7-3，放熱過(guò)程是8-1。相比于不采用回?zé)幔?-3段的平均吸熱溫度明顯高于2-3段的平均吸熱溫度，8-1段的平均吸熱溫度明顯低于4-1段的平均吸熱溫度，相當(dāng)于公式1中平均吸熱溫度[T1]升高，平均放熱溫度[T2]降低，因此提高了循環(huán)的熱效率。對(duì)于火電廠抽汽回?zé)嵫h(huán)，如圖4中T-s圖所示，不采用回?zé)釙r(shí)，循環(huán)中工質(zhì)在鍋爐中的吸熱過(guò)程是3-1，放熱過(guò)程是2-3;采用回?zé)岷?，循環(huán)中工質(zhì)的吸熱過(guò)程是7-1，放熱過(guò)程是2-3。相比于不采用回?zé)幔?-1段的平均吸熱溫度明顯高于3-1段的平均吸熱溫度，而放熱過(guò)程沒(méi)有變化，相當(dāng)于公式1中平均吸熱溫度[T1]升高，平均放熱溫度[T2]不變，因此提高了循環(huán)的熱效率。

回?zé)岣拍畹木?，是中?guó)科學(xué)院工程熱物理研究所吳仲華先生提出的“溫度對(duì)口，梯級(jí)利用”的概念，即通過(guò)熱機(jī)把能源最有效地轉(zhuǎn)化成機(jī)械能時(shí)，基于熱源品位概念的“溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”原則[12]。如火電廠熱力系統(tǒng)中采用“三高四低一除氧”的回?zé)岱绞?，參?shù)較高的抽汽在高壓加熱器加熱高溫給水，參數(shù)較低的抽汽在低溫加熱器加熱低溫給水，即體現(xiàn)了溫度對(duì)口、能量的梯級(jí)利用的原則。溫度對(duì)口的本質(zhì)是減小傳熱溫差，降低不可逆損失，減少做功能力損失，這實(shí)際上體現(xiàn)了熱力學(xué)第二定律的精髓。因此在講解回?zé)嶂R(shí)點(diǎn)的同時(shí)，可與熱力學(xué)第二定律結(jié)合，讓學(xué)生從理論上理解回?zé)岣拍畹木?，從?shí)踐中理解火電廠采用多級(jí)抽汽回?zé)岬谋举|(zhì)原因。

四、結(jié)語(yǔ)

本文以工程熱力學(xué)課程中的回?zé)嶂R(shí)點(diǎn)為例，將熱力學(xué)理論教學(xué)與實(shí)踐教學(xué)相結(jié)合，引入了帶有回?zé)岬膲嚎s空氣制冷循環(huán)、帶有回?zé)岬娜細(xì)廨啓C(jī)裝置循環(huán)、火電廠抽汽回?zé)嵫h(huán)等相關(guān)案例，通過(guò)熱力學(xué)第二定律的理論分析，闡述了基于熱源品位概念的“溫度對(duì)口、梯級(jí)利用”原則，闡釋了回?zé)嶂R(shí)點(diǎn)的本質(zhì)和精髓。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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[責(zé)任編輯：陳 明]