淺談“工程熱力學(xué)基礎(chǔ)”教學(xué)中的能源高效利用

楊理理 梁鳳麗

[摘 要]工程熱力學(xué)基礎(chǔ)是一門能源動(dòng)力類、航空航天類、機(jī)械類等相關(guān)專業(yè)的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，課程中的能量守恒定律、熵、?等熱力學(xué)概念和原理是能源高效利用重要的理論基礎(chǔ)。在本課程的教學(xué)過程中，將多種能源梯級(jí)利用，提高能量釋放品位和效率，實(shí)現(xiàn)能源的高效利用。

[關(guān)鍵詞]工程熱力學(xué);基礎(chǔ)能源;源頭節(jié)能

[基金項(xiàng)目]2019年南京航空航天大學(xué)公共基礎(chǔ)精品課程建設(shè)專項(xiàng)“工程熱力學(xué)”（2019JG0234K）

[作者簡(jiǎn)介]楊理理（1984—），女，江蘇南通人，博士，南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院講師，主要從事太陽能利用研究。

[中圖分類號(hào)] G642[文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A[文章編號(hào)] 1674-9324（2020）45-0-03[收稿日期] 2020-08-18

能源和環(huán)境是影響國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展的兩個(gè)關(guān)鍵因素。隨著全球經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速發(fā)展和世界人口的不斷高速增長，傳統(tǒng)化石能源探明儲(chǔ)量面臨枯竭，使用化石能源引起的廢氣排放與環(huán)境污染等問題愈發(fā)嚴(yán)重，對(duì)能源利用方式提出了更高的要求。因此，世界各國正調(diào)整各自能源發(fā)展戰(zhàn)略，一方面努力提高傳統(tǒng)能源的利用效率;另一方面大力發(fā)展清潔能源和可再生能源，以逐漸減小對(duì)傳統(tǒng)化石能源的依賴和抵御未來化石能源短缺的風(fēng)險(xiǎn)，進(jìn)而保障能源安全和國民經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展?；诓煌茉蠢孟到y(tǒng)對(duì)能量品質(zhì)需求不同的特點(diǎn)，通過不同的能源利用技術(shù)方式、不同能源利用系統(tǒng)的合理配置與耦合使用，提高能源利用效率。

“工程熱力學(xué)基礎(chǔ)”作為一門能源動(dòng)力類、航空航天類、機(jī)械類等相關(guān)專業(yè)必修的重要專業(yè)基礎(chǔ)課，研究對(duì)象主要是工程技術(shù)上熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換的規(guī)律，尤其是其中的能量守恒定律、熵、?等熱力學(xué)概念和原理對(duì)當(dāng)今社會(huì)廣泛關(guān)注的能源高效利用和可再生能源的開發(fā)利用等問題具有重要的理論指導(dǎo)意義。

一、能源高效利用的重要性

能源是社會(huì)持續(xù)發(fā)展的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，社會(huì)的快速發(fā)展對(duì)能源的需求不斷增加，由此帶來的傳統(tǒng)能源短缺及其引起的環(huán)境問題已成為社會(huì)關(guān)注的焦點(diǎn)。國際能源署（IEA）公開數(shù)據(jù)顯示，由于可再生能源的積極效應(yīng)，2019年碳排放總量與2018年幾乎持平，在330億噸左右。這一數(shù)據(jù)說明，能源轉(zhuǎn)型正在進(jìn)行中，同時(shí)這一數(shù)據(jù)也意味著《巴黎協(xié)定》提出的21世紀(jì)平均氣溫上升幅度要控制在2攝氏度以內(nèi)，并將全球氣溫上升控制在前工業(yè)化時(shí)期水平之上1.5攝氏度以內(nèi)的目標(biāo)很難如期完成。為了緩解經(jīng)濟(jì)發(fā)展引起的能源危機(jī)和環(huán)境問題，世界各國正在大力發(fā)展替代傳統(tǒng)化石能源的新興能源，但是高效再生能源的發(fā)展速度跟不上人類的需求，化石能源的使用仍在持續(xù)增長。因此，面對(duì)嚴(yán)峻的能源問題，發(fā)展可再生能源、清潔能源利用技術(shù)，提高能源利用效率對(duì)實(shí)現(xiàn)人口、經(jīng)濟(jì)、能源與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展具有重要意義。

二、“工程熱力學(xué)基礎(chǔ)”課程與能源高效利用的關(guān)系

“工程熱力學(xué)基礎(chǔ)”課程主要研究的是工程技術(shù)上熱能和機(jī)械能相互轉(zhuǎn)換規(guī)律、方法途徑及其應(yīng)用。通過本課程的學(xué)習(xí)，掌握熱力學(xué)基本概念，研究分析熱力系統(tǒng)和循環(huán)特性，提出改善系統(tǒng)和循環(huán)性能的方法，從而提高能源轉(zhuǎn)化效率。課程中核心的熱力學(xué)第一定律和熱力學(xué)第二定律分別從數(shù)量和能量品味兩個(gè)不同角度深刻闡述了能源轉(zhuǎn)換問題，是解決能源有效利用的理論基礎(chǔ)。在不同熱力系統(tǒng)中的能量轉(zhuǎn)換和釋放過程中，可以通過不同形式能源的能量互補(bǔ)、品位耦合，提高能量釋放品位和效率，實(shí)現(xiàn)能源“源頭節(jié)能”，為同時(shí)解決能源高效利用和節(jié)能減排提供一種途徑。

三、教學(xué)過程中的思考與探索

在工程熱力學(xué)基礎(chǔ)的教學(xué)過程中，可以綜合利用線上、線下課程教學(xué)的優(yōu)點(diǎn)，打造立體教學(xué)模式。首先在慕課、超星等網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)發(fā)布教材章節(jié)內(nèi)容或知識(shí)點(diǎn)解析等教學(xué)課程視頻，將教學(xué)內(nèi)容以不同形式呈現(xiàn);設(shè)置課堂練習(xí)、隨堂測(cè)試等環(huán)節(jié)，及時(shí)了解學(xué)生對(duì)課程內(nèi)容的掌握情況;采用分組討論，激發(fā)學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的積極性和好奇心，明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，掌握本課程的特點(diǎn)和學(xué)習(xí)方法。

基于以上的教學(xué)模式，在課程緒論部分可以充分利用線上平臺(tái)教學(xué)的優(yōu)勢(shì)，結(jié)合實(shí)際案例和視頻材料給學(xué)生系統(tǒng)地介紹當(dāng)前能源利用的現(xiàn)狀和存在的問題，闡述工程熱力學(xué)基礎(chǔ)這門課程與能源利用之間的關(guān)系。在能源傳遞轉(zhuǎn)換與利用過程中，遵循本課程核心的內(nèi)容“熱力學(xué)第一定律”和“熱力學(xué)第二定律”，能量數(shù)量守恒，但由于不可逆性，能量品質(zhì)會(huì)降低。因此在教學(xué)過程中，分析某一過程或循環(huán)時(shí)，引導(dǎo)學(xué)生可以分別通過熱效率、熵效率和?效率來評(píng)價(jià)其能量利用情況。例如，鍋爐的熱效率一般可以達(dá)到90%以上，而相同參數(shù)條件下，由于內(nèi)部的不可逆性，其?效率可能只有50%，遠(yuǎn)低于其熱效率。因此，需要從工程熱力學(xué)的角度，分析?損失的原因，找尋合適的改善措施，從而提高其能量利用效率。

除了理論教學(xué)之外，基于能量高效梯級(jí)利用可以增加實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)的內(nèi)容。在當(dāng)前可再生能源形式中，太陽能以其取之不盡、用之不竭、分布廣泛、使用清潔等優(yōu)勢(shì)，已成為能源可持續(xù)發(fā)展及可再生能源發(fā)展戰(zhàn)略的重要組成部分。從本課程的內(nèi)容出發(fā)，通過太陽能與化石能源的能量互補(bǔ)、品位耦合，提高能量釋放品位和轉(zhuǎn)換效率，替代部分傳統(tǒng)化石能源的消耗，有利于化石能源“源頭節(jié)能”，減少污染物排放，同時(shí)可以有效提高太陽能轉(zhuǎn)換效率，實(shí)現(xiàn)太陽能與化石能源的梯級(jí)利用。

以典型理想蒸汽動(dòng)力循環(huán)為例，主要由水泵、鍋爐、汽輪機(jī)和冷凝器這個(gè)設(shè)備組成，如圖1所示。工作過程如下：水通過給水泵加壓泵入鍋爐，在鍋爐中加熱汽化形成高溫高壓的過熱蒸汽，過熱蒸汽在汽輪機(jī)中膨脹做功，而后得到低壓乏汽在冷凝器中被冷凝，形成水后再送入給水泵，從而完成一個(gè)蒸汽動(dòng)力循環(huán)。在這過程中，熱量由水在鍋爐中被加熱產(chǎn)生的，需要消耗大量的煤，同時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量的燃燒產(chǎn)物。利用太陽能代替?zhèn)鹘y(tǒng)能源，形成太陽能集熱—蒸汽聯(lián)合循環(huán)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)源頭節(jié)能和清潔用能，如圖2所示。該循環(huán)主要由太陽能定日?qǐng)鲧R、集熱器、換熱器、汽輪機(jī)、冷凝器、水泵這幾個(gè)設(shè)備組成。與傳統(tǒng)蒸汽動(dòng)力循環(huán)相比，其工作過程有以下幾個(gè)特點(diǎn)：（1）利用反射鏡將太陽能集中在集熱器表面，通過聚集的太陽能把工質(zhì)加熱，產(chǎn)生高溫高壓的過熱蒸汽;（2）高溫高壓的過熱蒸汽不直接在汽輪機(jī)中膨脹做功，而是在換熱器中與冷水進(jìn)行換熱，然后加熱后的蒸汽再進(jìn)入汽輪機(jī)膨脹、對(duì)外做功;（3）有兩個(gè)蒸汽循環(huán)和兩個(gè)給水泵。值得注意的是，系統(tǒng)中的換熱器也是蓄熱器，兼具儲(chǔ)存高溫工質(zhì)和加熱冷水的功能。

此外，太陽能光伏—光熱耦合利用是太陽能與傳統(tǒng)能源耦合利用的另一種重要利用形式。1976 年，Wolf首次提出了光伏—余熱耦合利用系統(tǒng)，主要是利用了太陽光伏電池工作時(shí)產(chǎn)生的低品位余熱，余熱溫度一般在50℃～100℃范圍。該系統(tǒng)的工作原理是：通過流體帶走光伏電池產(chǎn)生的余熱，獲得生活熱水，從而實(shí)現(xiàn)電能和熱能的綜合利用，如圖3所示。太陽能綜合利用效率可達(dá)60%～80%，高于單獨(dú)光伏發(fā)電系統(tǒng)或太陽能集熱系統(tǒng)。

太陽能全光譜能量波段范圍是300nm～2500nm，雖然光伏電池直接將太陽輻射光子能量轉(zhuǎn)化成電能，沒有降級(jí)利用。但以硅電池為例，小于1100nm波長的太陽輻射能量才可以被光伏電池吸收利用轉(zhuǎn)化成電能，1100nm～2500nm波段的太陽輻射能量無法被光伏電池利用，利用效率低;單一的光熱利用雖效率較高，但會(huì)降低太陽能的能量品味。因此，從能量利用效率和品味綜合考慮，利用分頻式太陽能光伏—光熱耦合系統(tǒng)，太陽能輻射光子通過分頻器分成高能光子（300nm～1100nm）和低能光子（1100nm～2500nm）兩部分能量，高能光子被太陽能光伏電池利用，低能光子被太陽能熱發(fā)電子系統(tǒng)利用，如圖4所示。因此在提高太陽能全光譜 “量”的利用效率同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了太陽能全光譜能量品味耦合，提升了太陽能利用的“質(zhì)”。

因此，基于以上多種太陽能光—熱—電的互補(bǔ)利用，組織學(xué)生設(shè)計(jì)并搭建太陽能熱互補(bǔ)系統(tǒng)，從實(shí)驗(yàn)的角度獲得系統(tǒng)及和部分組件的轉(zhuǎn)換效率。由于太陽能全光譜利用的轉(zhuǎn)換過程存在不可逆損失，導(dǎo)致全光譜轉(zhuǎn)換實(shí)際效率與理論效率極限有較大差距，減小不可逆損失對(duì)于實(shí)現(xiàn)太陽能全光譜高效梯級(jí)利用至關(guān)重要。因此引導(dǎo)學(xué)生從能量“質(zhì)”和“量”兩個(gè)方面分析問題，提高動(dòng)手能力和解決實(shí)際問題能力的同時(shí)，也強(qiáng)化了學(xué)生的源頭節(jié)能、梯級(jí)利用的用能意識(shí)。

四、結(jié)語

我國明確提出構(gòu)建清潔低碳安全高效的能源體系的戰(zhàn)略要求，能源高效利用將是能源利用的重要發(fā)展方向，將其貫穿于工程熱力學(xué)基礎(chǔ)的教學(xué)過程中，不僅可以增強(qiáng)學(xué)生的節(jié)能和高效利用的能源意識(shí)，也為學(xué)習(xí)專業(yè)知識(shí)提供了充分的應(yīng)用背景，同時(shí)為今后解決相關(guān)生產(chǎn)實(shí)際問題奠定了理論基礎(chǔ)。

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On the Efficient Use of Energy in the Teaching of "Fundamentals of Engineering Thermodynamics"

YANG Li-li， LIANG Feng-li

（College of Energy and Power Engineering， Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，

Nanjing， Jiangsu 210016， China）

Abstract： Fundamentals of Engineering Thermodynamics is an important basic course for energy and power， aerospace， machinery and other related majors. The law of energy conservation， entropy， and other thermodynamic concepts and principles in the course are important theoretical basis for energy efficient utilization. In the teaching process of this course， a variety of energy resources will be used step by step to improve the energy release grade and efficiency and realize the efficient utilization of energy.

Key words： Fundamentals of Engineering Thermodynamics;energy; source energy saving