工程熱力學(xué)在過(guò)程裝備與控制工程專業(yè)中的教學(xué)方法探究

陳麗文，劉建旺，張沖沖

(華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 河北 唐山 063210)

工程熱力學(xué)在過(guò)程裝備與控制工程專業(yè)中的教學(xué)方法探究

陳麗文，劉建旺，張沖沖

(華北理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 河北 唐山 063210)

工程熱力學(xué)；過(guò)程裝備與控制工程；教學(xué)方法

以熱力過(guò)程為研究對(duì)象的工程熱力學(xué)是過(guò)程裝備與控制工程專業(yè)的重要基礎(chǔ)課程，在生產(chǎn)實(shí)習(xí)和工作中的作用日益凸顯。這門課內(nèi)容抽象、公式繁多且互有聯(lián)系，學(xué)習(xí)的難度較大。通過(guò)積累的教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合過(guò)程裝備與控制工程專業(yè)要求對(duì)熱力學(xué)課程內(nèi)容進(jìn)行分析，提出了在教學(xué)中存在的問(wèn)題，并總結(jié)了一些教學(xué)方法與教學(xué)手段，這些有助于提高教學(xué)效果。

過(guò)程裝備與控制工程專業(yè)( 文中均簡(jiǎn)稱“過(guò)控專業(yè)”)隸屬于工學(xué)機(jī)械大類，同時(shí)服務(wù)于過(guò)程工業(yè)，專業(yè)研究的對(duì)象屬“流程性材料產(chǎn)品”，包含氣、液、粉體等形態(tài)為主的流程性材料產(chǎn)品的先進(jìn)制造和處理技術(shù)，在生產(chǎn)過(guò)程中包括流動(dòng)過(guò)程、傳質(zhì)過(guò)程、熱力過(guò)程、反應(yīng)過(guò)程、機(jī)械過(guò)程等[1]。這些過(guò)程需要由為數(shù)眾多設(shè)備單元構(gòu)成，這些設(shè)備單元按工程實(shí)際需要連在一起實(shí)現(xiàn)順利工作就構(gòu)成了過(guò)程裝備，過(guò)程裝備的提升已經(jīng)列入國(guó)家規(guī)劃，在科技和經(jīng)濟(jì)發(fā)展中占有舉足輕重的地位。

工程熱力學(xué)是研究能量轉(zhuǎn)換和傳遞的一門課程，即功——熱之間轉(zhuǎn)換的宏觀過(guò)程分析和效率分析，從而啟發(fā)如何提高能源有效利用。在過(guò)程工業(yè)中經(jīng)常伴隨較多的物理和化學(xué)過(guò)程，這些過(guò)程均涉及能量的轉(zhuǎn)換和傳遞問(wèn)題，而以熱力過(guò)程為研究對(duì)象的工程熱力學(xué)是解決這一問(wèn)題基本途徑[2]。而工程熱力學(xué)由于概念抽象、內(nèi)容多而繁雜、公式多而互相聯(lián)系緊密，造成了老師難教、學(xué)生學(xué)習(xí)的難度較大等問(wèn)題，就如何改進(jìn)工程熱力學(xué)的教學(xué)質(zhì)量，教師需結(jié)合專業(yè)實(shí)際和學(xué)生接受能力進(jìn)行思考?；谶@些年的工程熱力學(xué)教改實(shí)踐和我校專業(yè)實(shí)際辦學(xué)特點(diǎn)，本文從工程熱力學(xué)課程內(nèi)容出發(fā)，分析工程熱力學(xué)課程在過(guò)控專業(yè)教學(xué)中存在的問(wèn)題，探討如何提高工程熱力學(xué)的教學(xué)手段和教學(xué)方法以適應(yīng)學(xué)生的學(xué)習(xí)。

一、工程熱力學(xué)的課程內(nèi)容

工程熱力學(xué)的實(shí)質(zhì)內(nèi)容可以歸納為一個(gè)基本點(diǎn)，兩條主線，三組參數(shù)，四個(gè)條件，五個(gè)理想過(guò)程。過(guò)程設(shè)備中熱功轉(zhuǎn)換的方式及其效率是最核心的基本點(diǎn)，在分析時(shí)以熱力學(xué)第一定律和第二定律作為基本主線，基于狀態(tài)參數(shù)和過(guò)程參數(shù)計(jì)算熱功轉(zhuǎn)換效率，在實(shí)際計(jì)算和設(shè)計(jì)中需貼近理想過(guò)程然后加權(quán)。圍繞這五個(gè)方面課程中有較多的基本概念和定律，而且這些概念和定律相互之間關(guān)聯(lián)性較多，致使學(xué)生理解和掌握比較困難。如效率的計(jì)算有三個(gè)公式，分別應(yīng)用于熱機(jī)、制冷和熱泵。第一類永動(dòng)機(jī)和第二類永動(dòng)機(jī)既有區(qū)別又有聯(lián)系，熱力學(xué)第一定律中體積功、技術(shù)功、流動(dòng)功、推動(dòng)功等概念的準(zhǔn)確把握，以及穩(wěn)定流動(dòng)開口方程的應(yīng)用，熱力學(xué)第二定律中克勞修斯積分不等式、熵方程、孤立系統(tǒng)熵增原理、火用方程的應(yīng)用。在計(jì)算時(shí)緊密結(jié)合閉口及開口系統(tǒng)方程，將三組參數(shù)代入，同時(shí)涉及比熱容和熵的定義和計(jì)算公式，每個(gè)公式都有對(duì)應(yīng)的使用條件，這就增加了學(xué)生的學(xué)習(xí)難度。設(shè)備連續(xù)工作時(shí)需要有四個(gè)條件：熱源(冷源)、工質(zhì)、膨脹(壓縮)做功、循環(huán)，對(duì)熱源(冷源)的選擇涉及能源的有效利用和環(huán)境保護(hù)，工質(zhì)的選定還需考慮本身的物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)以及在工作時(shí)的安全性。在設(shè)計(jì)和校核中需簡(jiǎn)化熱力過(guò)程，定壓過(guò)程、定容過(guò)程、定溫過(guò)程、定熵過(guò)程以及理想多變過(guò)程。所有這些內(nèi)容既有聯(lián)系又有區(qū)別，需要整體理解和把握。

二、工程熱力學(xué)在過(guò)控專業(yè)教學(xué)中存在的問(wèn)題

過(guò)程裝備與控制工程專業(yè)的教學(xué)計(jì)劃在我校分為四個(gè)層次：通識(shí)課、專業(yè)基礎(chǔ)必修課、專業(yè)技術(shù)必修課和專業(yè)知識(shí)選修課。在專業(yè)基礎(chǔ)必修課中，工程熱力學(xué)是過(guò)控專業(yè)不可或缺的基礎(chǔ)課，它上承高等數(shù)學(xué)、大學(xué)物理，下接過(guò)程設(shè)備設(shè)計(jì)和流體機(jī)械。同時(shí)服務(wù)于過(guò)程設(shè)備的工作原理，如鍋爐、換熱器、泵、風(fēng)機(jī)、噴管、壓縮機(jī)、內(nèi)燃機(jī)和汽輪機(jī)等設(shè)備，工程熱力學(xué)可以通過(guò)研究設(shè)備中工質(zhì)的狀態(tài)變化實(shí)現(xiàn)功和能的轉(zhuǎn)換，從而獲得提高功能轉(zhuǎn)化效率的途徑。經(jīng)過(guò)查閱較多文獻(xiàn)和相關(guān)高校調(diào)研，目前工程熱力學(xué)教學(xué)方法和教學(xué)手段的探討和改革大部分體現(xiàn)在熱能與動(dòng)力工程、建筑環(huán)境與設(shè)備工程等專業(yè)上。雖然這些教學(xué)方法大部分可以借鑒到過(guò)控專業(yè)工程熱力學(xué)的教學(xué)實(shí)踐中，但由于專業(yè)側(cè)重點(diǎn)不同，還得在過(guò)控專業(yè)教學(xué)中體現(xiàn)課程改革的特點(diǎn)。結(jié)合參考文獻(xiàn)、實(shí)地調(diào)研以及我校的實(shí)際教學(xué)情況，工程熱力學(xué)在過(guò)控專業(yè)教學(xué)中存在以下幾方面的問(wèn)題。

1.我校過(guò)控專業(yè)偏重于機(jī)械。由于專業(yè)辦學(xué)時(shí)間較短，辦學(xué)初期借助于機(jī)械專業(yè)的底蘊(yùn)，目前在制定教學(xué)計(jì)劃和在學(xué)生培養(yǎng)過(guò)程當(dāng)中還是偏向于機(jī)械裝備和控制方面，在能源有效利用和轉(zhuǎn)換方面有一定的滯后。

2.沒(méi)有形成以工程熱力學(xué)作為專業(yè)的承接，貫穿于過(guò)程設(shè)備的效率提升。工程熱力學(xué)作為過(guò)控專業(yè)僅有的能源利用與轉(zhuǎn)換的專業(yè)基礎(chǔ)必修課，有助于學(xué)生對(duì)上述過(guò)程裝備工作原理的理解，有利于設(shè)備設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)思路的把握。

3.實(shí)驗(yàn)室成品設(shè)備較少，設(shè)備的剖面分析和拆裝較難實(shí)現(xiàn)，致使學(xué)生很難理解工質(zhì)的相變和實(shí)際運(yùn)行路線，從而導(dǎo)致對(duì)設(shè)備的運(yùn)行和能量的轉(zhuǎn)換缺乏足夠的認(rèn)識(shí)。

三、工程熱力學(xué)在過(guò)控專業(yè)教學(xué)方法的探究

(一)教材的選定和編排

工程熱力學(xué)是研究熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換規(guī)律及熱能有效利用的科學(xué)，其核心內(nèi)容是研究如何提高能源轉(zhuǎn)換的效率。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外教材的對(duì)比分析得出，美國(guó)教材內(nèi)容豐富，排版直觀，實(shí)例全面；德國(guó)教材內(nèi)容厚重，邏輯嚴(yán)密，思維深刻。它們的共同點(diǎn)是教材更新較快，結(jié)合社會(huì)發(fā)展緊密，以教材和課堂教學(xué)為載體，注重培養(yǎng)學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力和提高分析解決問(wèn)題思路的能力[3-4]。國(guó)內(nèi)教材在培養(yǎng)學(xué)生分析解決問(wèn)題思路上與美德相當(dāng)，但是相對(duì)于實(shí)際設(shè)備發(fā)展滯后，開設(shè)的實(shí)驗(yàn)以演示性居多。就過(guò)程裝備與控制工程專業(yè)而言，教材的選定應(yīng)結(jié)合鍋爐、壓縮機(jī)、內(nèi)燃機(jī)和汽輪機(jī)等過(guò)程設(shè)備的應(yīng)用作為主線，在能源的二次利用、實(shí)際工程案例等方面結(jié)合社會(huì)發(fā)展。另外由于我校過(guò)控專業(yè)沒(méi)有開設(shè)傳熱學(xué)課程，所以在選定教材后，再添加一部分傳熱學(xué)知識(shí)，用于換熱器、反應(yīng)釜、反應(yīng)塔、反應(yīng)罐等設(shè)備的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。這樣就形成了以工程熱力學(xué)作為專業(yè)的承接，貫穿于對(duì)過(guò)程設(shè)備的理解和應(yīng)用。

(二)細(xì)化緒論的內(nèi)容

緒論講解的效果直接關(guān)系到是否能激發(fā)學(xué)生對(duì)工程的學(xué)習(xí)興趣和對(duì)整個(gè)課程的理解。以生活中實(shí)例作為引子，與學(xué)生的互動(dòng)，高壓鍋在高溫高壓的工況下工作，以略低于人體溫度的毛巾來(lái)降溫，冰箱能制冷在表象上是后面的散熱器把熱量提出來(lái)，冬天進(jìn)入室內(nèi)眼鏡片結(jié)霧是由于空氣中水蒸氣凝結(jié)而成，讓同學(xué)們發(fā)現(xiàn)生活中很多現(xiàn)象是與熱息息相關(guān)，引起對(duì)熱力學(xué)的學(xué)習(xí)興趣。以國(guó)家政策為導(dǎo)向，以節(jié)約能源作為切入點(diǎn)進(jìn)行講解，將一些大型熱工設(shè)備的實(shí)體圖片、工作流程圖通過(guò)多媒體顯示，其熱力過(guò)程用動(dòng)畫來(lái)演示。如風(fēng)洞中關(guān)鍵裝備拉瓦爾噴管，火電廠主要設(shè)備鍋爐、汽輪機(jī)，汽車或小型發(fā)電設(shè)備中的核心機(jī)構(gòu)內(nèi)燃機(jī)，空調(diào)中的壓縮機(jī)、換熱器等，結(jié)合這些實(shí)際工程設(shè)備的工作原理引出課程的主要內(nèi)容，熱功轉(zhuǎn)換及如何提高效率，從而達(dá)到節(jié)能的目的，進(jìn)而使學(xué)生對(duì)課程的構(gòu)架有明確的認(rèn)識(shí)。

(三)關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的講解

這些知識(shí)點(diǎn)包括圖的畫法及每條線代表的過(guò)程，計(jì)算時(shí)參數(shù)的靈活應(yīng)用，工程中設(shè)計(jì)的可行性，過(guò)程的簡(jiǎn)化及設(shè)備的效率提升。在分析鍋爐加熱過(guò)程中，以水為工質(zhì)進(jìn)行作圖分析，主要包括三種圖示，壓容圖(p-v)、溫熵圖(t-s)、焓熵圖(h-s)。以溫熵圖為例，核心問(wèn)題是定壓加熱，在濕蒸汽區(qū)既是定壓又是定溫，同時(shí)需深刻理解不同壓力對(duì)應(yīng)的飽和溫度以及一點(diǎn)、兩線、三區(qū)、五態(tài)，把溫熵圖作為重點(diǎn)講解上述問(wèn)題，并計(jì)算相應(yīng)的吸熱量。在噴淋加濕的過(guò)程中以焓濕圖(h-d)為例，把露點(diǎn)、濕球溫度、干球溫度畫出，再定性畫出加濕過(guò)程，核心問(wèn)題是可以簡(jiǎn)化為定焓過(guò)程。計(jì)算設(shè)備效率是主要是計(jì)算功和熱，基本的依據(jù)是熱力學(xué)第一定律的開口穩(wěn)定流動(dòng)能量方程和閉口能量方程，其中熱量可以根據(jù)熵的定義式和比熱容的定義式求出，熵有三種算法，比熱容可以查表計(jì)算得到。體積功和技術(shù)功在可逆時(shí)分別可以按公式計(jì)算，而焓差和熱力學(xué)能差的差值是流動(dòng)功。通過(guò)把這些方程式的總結(jié)和分析，就能很好的解決課程中公式較多、難于理解的問(wèn)題?；趯?shí)際工程上常用的壓力表和溫度表，最后歸根結(jié)底是在三個(gè)基本狀態(tài)參數(shù)基礎(chǔ)上來(lái)計(jì)算功和熱。工程中設(shè)計(jì)的可行性計(jì)算以判斷過(guò)程能否進(jìn)行為例，基于熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律，首先能量守恒，其次過(guò)程朝著熵增大的方向進(jìn)行，可用克勞修斯積分式、熵方程以及火用方程來(lái)定量計(jì)算。特別值得注意的是靈活應(yīng)用孤立系統(tǒng)熵增原理，可以較方便的判別過(guò)程的可行性。工程中常見(jiàn)的熱力過(guò)程是定壓吸熱(放熱)過(guò)程和定熵作功過(guò)程，所以這兩個(gè)過(guò)程是簡(jiǎn)化的方向。設(shè)備的效率提升以電廠循環(huán)和冷庫(kù)循環(huán)為例，電廠循環(huán)中再熱和抽汽回?zé)崾翘嵘实挠行Х绞?，要區(qū)分開水蒸汽的量變與否，再熱壓力的大小，吸熱量與質(zhì)量有關(guān)。以氨為制冷劑的冷庫(kù)循環(huán)中過(guò)冷措施是提高吸熱量的有效方法，從而提升制冷效率。關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)的講解有利于學(xué)生對(duì)概念和公式的理解，有助于在設(shè)計(jì)時(shí)方法的靈活應(yīng)用。

(四)增加實(shí)踐學(xué)時(shí)，理解工質(zhì)的相變和實(shí)際運(yùn)行路線

我校過(guò)控專業(yè)方向偏重于機(jī)械類，該課程教學(xué)大綱制定上沒(méi)有安排基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)和情景教學(xué)。但是從這些年的教學(xué)效果來(lái)看，增加基礎(chǔ)演示實(shí)驗(yàn)和情景教學(xué)很有必要。活塞式壓縮機(jī)、汽輪機(jī)的剖面模型可以清晰的顯示工質(zhì)的流動(dòng)、壓縮、膨脹的過(guò)程；活塞式壓氣機(jī)性能實(shí)驗(yàn)可以通過(guò)測(cè)量活塞式壓氣機(jī)的示功圖和功耗，計(jì)算活塞式壓氣機(jī)的指示功、指示功率和過(guò)程指數(shù)等，驗(yàn)證壓氣機(jī)排氣壓力對(duì)性能參數(shù)的影響；換熱器性能實(shí)驗(yàn)通過(guò)測(cè)量換熱器的傳熱系數(shù)和換熱器冷熱介質(zhì)的流動(dòng)壓力，來(lái)理解傳熱過(guò)程中傳熱系數(shù)的基本計(jì)算方法和換熱器的傳熱特性；制冷循環(huán)和蒸汽動(dòng)力循環(huán)可以結(jié)合建工學(xué)院和冶金學(xué)院的實(shí)驗(yàn)設(shè)備來(lái)完成。情景教學(xué)就近在鍋爐廠和開灤集團(tuán)來(lái)完成鍋爐運(yùn)行和蒸汽機(jī)車運(yùn)行的講解。同時(shí)在講解及實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)中要突出“熱力過(guò)程運(yùn)行和工質(zhì)流動(dòng)”的專業(yè)特點(diǎn)。只有對(duì)設(shè)備有充分的認(rèn)知，理解工質(zhì)的相變和實(shí)際運(yùn)行路線，才能對(duì)設(shè)備的運(yùn)行和能量的轉(zhuǎn)換有充分認(rèn)識(shí)。

四、結(jié)語(yǔ)

以工程熱力學(xué)作為過(guò)程裝備與控制工程專業(yè)的承接紐帶，有助于過(guò)程設(shè)備的效率提升，在整個(gè)課程體系中具有重要的地位。在教學(xué)中注重知識(shí)的日常生活及工程應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生的設(shè)備設(shè)計(jì)和過(guò)程分析能力，提高學(xué)生對(duì)工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用的興趣。教學(xué)中有意識(shí)的構(gòu)建實(shí)踐情景，突出“熱力過(guò)程運(yùn)行和工質(zhì)流動(dòng)”的專業(yè)特點(diǎn)，提高過(guò)控專業(yè)的教學(xué)質(zhì)量。

[1]王毅, 張?jiān)缧? 過(guò)程裝備控制技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社, 2010.5.

[2]沈維道, 童鈞耕. 工程熱力學(xué)(第4版) [M].北京:高等教育出版社,2007.6.

[3]Michael J. Moran, Howard N. Shapiro, Daisie D. Boettner, Margaret B. Bailey. Fundamentals of Engineering Thermodynamics (7rd ed.), John Wiley &Sons, New York, 2010.

[4]Günter Cerbe, Gernot Wilhelms. Technische Thermodynamik: Theoretische Grundlagen und praktische Anwendungen, Hanser Verlag, Muenchen,2010.

Study on Teaching Methods of Engineering Thermodynamics in Major of Process Equipment and Control Engineering

CHEN Li-wen, LIU Jian-wang, ZHANG Chong-chong

(College of Mechanical Engineering, North China University of Science and Technology, Tangshan Hebei 063210, China)

engineering thermodynamics; process equipment and control engineering; teaching method

Engineering thermodynamics based on thermodynamic process is an important basic course of process equipment and control engineering. Which play the increasingly prominent role in production practice and work . Learning the course is more difficult not only the content abstract and the formula is numerous and mutually relates. Through the accumulation of teaching experience analysis thermodynamic course content combining the process equipment and control engineering professional requirements. Problems in teaching were proposed, and summed up a number of teaching methods and teaching methods. These help to improve teaching effectiveness.

2095-2708(2017)02-0098-04

2016-12-09

2016-12-27

華北理工大學(xué)教學(xué)改革項(xiàng)目(Y1553-15)。

陳麗文(1978-)，男，山西原平人，講師，碩士研究生，研究方向：新能源利用技術(shù)。

G521

A