龔志軍　武文斐

摘要：“熱能轉(zhuǎn)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(xué)生掌握熱能轉(zhuǎn)換與利用的基本原理和分析方法、實(shí)際轉(zhuǎn)換設(shè)備與轉(zhuǎn)換系統(tǒng)的特點(diǎn)和設(shè)計(jì)計(jì)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(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)進(jìn)行了探討，提出將熱力系統(tǒng)分析作為教學(xué)的主要側(cè)重內(nèi)容，以培養(yǎng)學(xué)生的素質(zhì)，開拓學(xué)生的視野。

關(guān)鍵詞：熱能動力；熱能轉(zhuǎn)換與利用；教學(xué)內(nèi)容

中圖分類號：G642.41 文獻(xiàn)標(biāo)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換與利用的知識[1]。自熱力學(xué)理論確立后，人們雖然從理論上認(rèn)識到，熱力學(xué)過程中能量的交換及其利用，應(yīng)根據(jù)熱力學(xué)第一定律和第二定律對能量的數(shù)量和品質(zhì)兩方面進(jìn)行分析研究。但是，在實(shí)際熱能工程技術(shù)的設(shè)計(jì)、管理和改進(jìn)上，主要還是依據(jù)熱力學(xué)第一定律，即能量守恒與轉(zhuǎn)換定律。也就是說，只是單一地從能量的數(shù)量角度出發(fā)，以焓為基礎(chǔ)的熱平衡計(jì)算分析方法。然而，由于此法未考慮熱力學(xué)第二定律所表明的能量品質(zhì)，因?yàn)槿藗兩钤诘厍虮砻娴囊欢陀^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(shù)量的不同形式的能量所含的“火用”和“火無”的數(shù)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(zhì)。因此，在認(rèn)識所謂能量損失上就產(chǎn)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(shù)措施時(shí)，就難免在熱力學(xué)上得出錯誤的結(jié)論，達(dá)不到預(yù)期的效果。為此，近幾十年來，國內(nèi)外有關(guān)專家學(xué)者在熱力學(xué)的理論領(lǐng)域內(nèi)和工程技術(shù)的管理上大力提倡把熱力學(xué)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(zhǔn)的火用分析方法來評價(jià)能量利用的科學(xué)性和合理性。由于此“火用分析法”中的“火用效率”更能準(zhǔn)確地反映各熱力設(shè)備或整個(gè)裝置系統(tǒng)技術(shù)上或熱力學(xué)的完善程度，可以從中明確提高能源利用效率的正確目標(biāo)，并采取相應(yīng)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(yīng)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(chǔ)理論及其實(shí)際應(yīng)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(shè)了“火用分析”的相關(guān)課程[2]。

一、“熱能轉(zhuǎn)換與利用”課程定位

首先，從學(xué)科角度講，認(rèn)識到“熱能轉(zhuǎn)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(xué)”等前期專業(yè)基礎(chǔ)課程，是對上述基礎(chǔ)課程內(nèi)容的擴(kuò)展和深化；向下則與后續(xù)的“熱力發(fā)電廠”、“燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)發(fā)電”、“制冷與低溫技術(shù)”、“能源與節(jié)能技術(shù)”等專業(yè)課程緊密相連，為學(xué)生理解掌握相關(guān)專業(yè)知識奠定基礎(chǔ)[3]。熱能動力工程專業(yè)的學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)，可掌握熱能轉(zhuǎn)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(shí)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(chǔ)。熱能轉(zhuǎn)換與利用內(nèi)容豐富、發(fā)展迅速、學(xué)科交叉性強(qiáng)，涉及熱力學(xué)、流體力學(xué)、傳熱學(xué)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(shù)基礎(chǔ)課程。因此開設(shè)“熱能轉(zhuǎn)換與利用”課程非常必要，對于學(xué)生回顧深化所學(xué)過的“熱力學(xué)”等專業(yè)基礎(chǔ)課程，深入學(xué)習(xí)掌握后續(xù)專業(yè)課程，培養(yǎng)鍛煉學(xué)生利用所學(xué)理論知識分析、解決實(shí)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(zhuǎn)換與利用”課程設(shè)計(jì)

本課程要介紹有關(guān)熱能轉(zhuǎn)換與利用的基本原理、分析方法，以及實(shí)際轉(zhuǎn)換設(shè)備與系統(tǒng)地特點(diǎn)和設(shè)計(jì)計(jì)算方法。給學(xué)生在“工程熱力學(xué)”的基礎(chǔ)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(xué)生分析、解決實(shí)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(chǔ)?！盁崮苻D(zhuǎn)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(xué)時(shí)。先后介紹了能源概論、能量轉(zhuǎn)換基礎(chǔ)、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(shè)備。

第1章能量概論，在介紹有關(guān)能源的一些基本概念的基礎(chǔ)上，認(rèn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)換的基礎(chǔ)理論，重點(diǎn)介紹能量的質(zhì)量分析—火用分析的方法。為了有效地利用熱能，正確地指導(dǎo)節(jié)能工作的開展，找到能量損失所在，需要結(jié)合熱力學(xué)第一定律和第二定律，從量和質(zhì)兩個(gè)方面全面地進(jìn)行分析。本章就是要運(yùn)用工程熱力學(xué)理論，介紹分析能量轉(zhuǎn)換過程的方法，著重介紹火用分析的方法，詳細(xì)敘述了不同條件下的火用、火用損失的計(jì)算方法及其影響因素，并介紹實(shí)際熱工設(shè)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(diǎn)分析動力循環(huán)、熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)和熱泵系統(tǒng)，分析各個(gè)轉(zhuǎn)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(jìn)整個(gè)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(biāo)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(jìn)行分析，通過能量平衡確定其有效利用部分和各項(xiàng)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(shè)備，介紹余熱回收用的各種換熱器的工作原理、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、設(shè)計(jì)計(jì)算方法、使用場合等內(nèi)容，為今后進(jìn)行余熱回收時(shí)，能正確選擇和設(shè)計(jì)計(jì)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(chǔ)。同時(shí)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(shè)計(jì)。endprint

課程內(nèi)容分為理論與實(shí)踐兩部分，第一章、第二章運(yùn)用熱力學(xué)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(jì)算及火用分析的基本方法，即為火用和火用分析的基礎(chǔ)理論部分。第三～五章以工程實(shí)例說明火用分析法的具體應(yīng)用，分別對蒸汽動力裝置、氣體動力裝置及制冷、熱泵裝置進(jìn)行具體火用分析。并結(jié)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(shè)備。對于本校的“熱能與動力工程專業(yè)”來說，本專業(yè)學(xué)生主要學(xué)習(xí)動力工程及工程熱物理的基礎(chǔ)理論，學(xué)習(xí)各種能量轉(zhuǎn)換及有效利用的理論和技術(shù)，訓(xùn)練進(jìn)行動力機(jī)械與熱工設(shè)備設(shè)計(jì)、運(yùn)行、實(shí)驗(yàn)研究的基本能力。專業(yè)培養(yǎng)方案設(shè)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(shè)置可以看出“熱能轉(zhuǎn)換與利用”是熱動專業(yè)的基礎(chǔ)課程，熱能轉(zhuǎn)換與利用的熱力學(xué)基礎(chǔ)理論是熱動專業(yè)的理論基礎(chǔ)，熱能轉(zhuǎn)換與利用的熱力系統(tǒng)分析則是熱動專業(yè)的核心內(nèi)容，包括蒸汽動力循環(huán)的系統(tǒng)分析、燃?xì)狻羝?lián)合循環(huán)系統(tǒng)分析、熱電聯(lián)產(chǎn)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(zhuǎn)換與利用課程的學(xué)習(xí)為后續(xù)的專業(yè)課程奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，也為熱動專業(yè)的學(xué)習(xí)奠定了深厚的基礎(chǔ)。因此，我們提出將熱力系統(tǒng)分析作為教學(xué)的主要側(cè)重內(nèi)容，熱能動力工程專業(yè)的學(xué)生通過本課程的學(xué)習(xí)，可掌握熱能轉(zhuǎn)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(shí)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(chǔ)。

三、結(jié)論

“熱能轉(zhuǎn)換與利用”課程在熱能與動力工程專業(yè)學(xué)生的學(xué)習(xí)過程中，起著承上啟下的銜接作用，課程內(nèi)容非常重要。由于熱能轉(zhuǎn)換與利用發(fā)展迅速，內(nèi)容豐富，本文以我校開設(shè)“熱能轉(zhuǎn)換與利用”課程的實(shí)踐為例，從“熱能轉(zhuǎn)換與利用”課程的定位、“熱能轉(zhuǎn)換與利用”課程教學(xué)內(nèi)容的編排兩個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)的介紹。提出將熱力系統(tǒng)分析作為教學(xué)的主要側(cè)重內(nèi)容，以培養(yǎng)學(xué)生分析、解決實(shí)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(chǔ)。我?！盁崮苻D(zhuǎn)換與利用”課程的內(nèi)容和教學(xué)體系設(shè)計(jì)總體上思路清晰、內(nèi)容充實(shí)、層次分明，很好地完成了“熱能轉(zhuǎn)換與利用”課程的既定目標(biāo)和要求。

參考文獻(xiàn)：

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[3]王保文，王為術(shù)，高傳昌.電廠熱能動力工程專業(yè)“燃燒學(xué)“教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)[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(shù)”教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)[J].中國電力教育，2012，（34）：93-94.endprint