淺談“工程熱力學基礎”教學中的能源高效利用

楊理理 梁鳳麗

[摘 要]工程熱力學基礎是一門能源動力類、航空航天類、機械類等相關專業的重要專業基礎課，課程中的能量守恒定律、熵、?等熱力學概念和原理是能源高效利用重要的理論基礎。在本課程的教學過程中，將多種能源梯級利用，提高能量釋放品位和效率，實現能源的高效利用。

[關鍵詞]工程熱力學;基礎能源;源頭節能

[基金項目]2019年南京航空航天大學公共基礎精品課程建設專項“工程熱力學”（2019JG0234K）

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

[中圖分類號] G642[文獻標識碼] A[文章編號] 1674-9324（2020）45-0-03[收稿日期] 2020-08-18

能源和環境是影響國民經濟可持續發展的兩個關鍵因素。隨著全球經濟的持續快速發展和世界人口的不斷高速增長，傳統化石能源探明儲量面臨枯竭，使用化石能源引起的廢氣排放與環境污染等問題愈發嚴重，對能源利用方式提出了更高的要求。因此，世界各國正調整各自能源發展戰略，一方面努力提高傳統能源的利用效率;另一方面大力發展清潔能源和可再生能源，以逐漸減小對傳統化石能源的依賴和抵御未來化石能源短缺的風險，進而保障能源安全和國民經濟可持續發展。基于不同能源利用系統對能量品質需求不同的特點，通過不同的能源利用技術方式、不同能源利用系統的合理配置與耦合使用，提高能源利用效率。

“工程熱力學基礎”作為一門能源動力類、航空航天類、機械類等相關專業必修的重要專業基礎課，研究對象主要是工程技術上熱能和機械能相互轉換的規律，尤其是其中的能量守恒定律、熵、?等熱力學概念和原理對當今社會廣泛關注的能源高效利用和可再生能源的開發利用等問題具有重要的理論指導意義。

一、能源高效利用的重要性

能源是社會持續發展的重要物質基礎，社會的快速發展對能源的需求不斷增加，由此帶來的傳統能源短缺及其引起的環境問題已成為社會關注的焦點。國際能源署（IEA）公開數據顯示，由于可再生能源的積極效應，2019年碳排放總量與2018年幾乎持平，在330億噸左右。這一數據說明，能源轉型正在進行中，同時這一數據也意味著《巴黎協定》提出的21世紀平均氣溫上升幅度要控制在2攝氏度以內，并將全球氣溫上升控制在前工業化時期水平之上1.5攝氏度以內的目標很難如期完成。為了緩解經濟發展引起的能源危機和環境問題，世界各國正在大力發展替代傳統化石能源的新興能源，但是高效再生能源的發展速度跟不上人類的需求，化石能源的使用仍在持續增長。因此，面對嚴峻的能源問題，發展可再生能源、清潔能源利用技術，提高能源利用效率對實現人口、經濟、能源與環境的協調發展具有重要意義。

二、“工程熱力學基礎”課程與能源高效利用的關系

“工程熱力學基礎”課程主要研究的是工程技術上熱能和機械能相互轉換規律、方法途徑及其應用。通過本課程的學習，掌握熱力學基本概念，研究分析熱力系統和循環特性，提出改善系統和循環性能的方法，從而提高能源轉化效率。課程中核心的熱力學第一定律和熱力學第二定律分別從數量和能量品味兩個不同角度深刻闡述了能源轉換問題，是解決能源有效利用的理論基礎。在不同熱力系統中的能量轉換和釋放過程中，可以通過不同形式能源的能量互補、品位耦合，提高能量釋放品位和效率，實現能源“源頭節能”，為同時解決能源高效利用和節能減排提供一種途徑。

三、教學過程中的思考與探索

在工程熱力學基礎的教學過程中，可以綜合利用線上、線下課程教學的優點，打造立體教學模式。首先在慕課、超星等網絡平臺發布教材章節內容或知識點解析等教學課程視頻，將教學內容以不同形式呈現;設置課堂練習、隨堂測試等環節，及時了解學生對課程內容的掌握情況;采用分組討論，激發學生在學習過程中的積極性和好奇心，明確學習目標，掌握本課程的特點和學習方法。

基于以上的教學模式，在課程緒論部分可以充分利用線上平臺教學的優勢，結合實際案例和視頻材料給學生系統地介紹當前能源利用的現狀和存在的問題，闡述工程熱力學基礎這門課程與能源利用之間的關系。在能源傳遞轉換與利用過程中，遵循本課程核心的內容“熱力學第一定律”和“熱力學第二定律”，能量數量守恒，但由于不可逆性，能量品質會降低。因此在教學過程中，分析某一過程或循環時，引導學生可以分別通過熱效率、熵效率和?效率來評價其能量利用情況。例如，鍋爐的熱效率一般可以達到90%以上，而相同參數條件下，由于內部的不可逆性，其?效率可能只有50%，遠低于其熱效率。因此，需要從工程熱力學的角度，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。

除了理論教學之外，基于能量高效梯級利用可以增加實驗環節的內容。在當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、使用清潔等優勢，已成為能源可持續發展及可再生能源發展戰略的重要組成部分。從本課程的內容出發，通過太陽能與化石能源的能量互補、品位耦合，提高能量釋放品位和轉換效率，替代部分傳統化石能源的消耗，有利于化石能源“源頭節能”，減少污染物排放，同時可以有效提高太陽能轉換效率，實現太陽能與化石能源的梯級利用。

以典型理想蒸汽動力循環為例，主要由水泵、鍋爐、汽輪機和冷凝器這個設備組成，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，從而完成一個蒸汽動力循環。在這過程中，熱量由水在鍋爐中被加熱產生的，需要消耗大量的煤，同時會產生大量的燃燒產物。利用太陽能代替傳統能源，形成太陽能集熱—蒸汽聯合循環，同時實現源頭節能和清潔用能，如圖2所示。該循環主要由太陽能定日場鏡、集熱器、換熱器、汽輪機、冷凝器、水泵這幾個設備組成。與傳統蒸汽動力循環相比，其工作過程有以下幾個特點：（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加熱，產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中膨脹做功，而是在換熱器中與冷水進行換熱，然后加熱后的蒸汽再進入汽輪機膨脹、對外做功;（3）有兩個蒸汽循環和兩個給水泵。值得注意的是，系統中的換熱器也是蓄熱器，兼具儲存高溫工質和加熱冷水的功能。

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，主要是利用了太陽光伏電池工作時產生的低品位余熱，余熱溫度一般在50℃～100℃范圍。該系統的工作原理是：通過流體帶走光伏電池產生的余熱，獲得生活熱水，從而實現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60%～80%，高于單獨光伏發電系統或太陽能集熱系統。

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化成電能，沒有降級利用。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，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電子系統利用，如圖4所示。因此在提高太陽能全光譜 “量”的利用效率同時，實現了太陽能全光譜能量品味耦合，提升了太陽能利用的“質”。

因此，基于以上多種太陽能光—熱—電的互補利用，組織學生設計并搭建太陽能熱互補系統，從實驗的角度獲得系統及和部分組件的轉換效率。由于太陽能全光譜利用的轉換過程存在不可逆損失，導致全光譜轉換實際效率與理論效率極限有較大差距，減小不可逆損失對于實現太陽能全光譜高效梯級利用至關重要。因此引導學生從能量“質”和“量”兩個方面分析問題，提高動手能力和解決實際問題能力的同時，也強化了學生的源頭節能、梯級利用的用能意識。

四、結語

我國明確提出構建清潔低碳安全高效的能源體系的戰略要求，能源高效利用將是能源利用的重要發展方向，將其貫穿于工程熱力學基礎的教學過程中，不僅可以增強學生的節能和高效利用的能源意識，也為學習專業知識提供了充分的應用背景，同時為今后解決相關生產實際問題奠定了理論基礎。

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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