“鍋爐原理”課程實驗教學平臺建設與應用

張偉 王建友 于云祖 劉創 李斌

[摘 要] 基于“鍋爐原理”課程實驗教學需求，搭建了由燃氣灶具本體、燃氣供應系統和數據采集系統組成的燃氣灶具性能測試實驗平臺。平臺除用于“鍋爐原理”課程的基本教學實驗外，還可用于研究鍋架高度、鍋體結構、擋風聚能罩、火孔結構等對燃氣灶具熱效率、CO排放等的影響規律，實現了科學研究和教學實驗的緊密結合。學生通過自主設計實驗方案，完成創新性和綜合性實驗項目，訓練了工程實踐能力和探索求真精神，平臺在培養能動專業復合型人才中發揮了積極作用。

[關鍵詞] 實驗教學平臺;燃氣灶具;提效措施;實踐能力

[基金項目] 2020年度中國石油大學（華東）校級教改項目“‘熱工實驗’教材建設”（KC-202031）;2020年度山東省專業學位研究生教學案例庫建設項目“‘高等工程熱力學’教學案例庫建設”（SDYAL20038）

[作者簡介] 張 偉（1978—），男，黑龍江龍江人，博士，中國石油大學（華東）新能源學院副教授，主要從事鍋爐節能減排技術研究。

[中圖分類號] TK175;TE81 ? ?[文獻標識碼] A ? ?[文章編號] 1674-9324（2021）52-0133-04 ? [收稿日期] 2021-04-15

一、引言

能源是指能夠提供能量的資源，是人類生產生活的物質基礎。在當今快速發展的時代，能源消費與GDP增長高度相關，可以說能源是支撐經濟發展的動力中樞[1]。正因為如此，與能源相關的學科專業受到了前所未有的關注，對能源相關專業人才的需求也達到了新的高度[2]。能源與動力工程專業屬能源動力類專業，以培養掌握能源轉化與利用的基本理論和基本技能的工程技術人才為目標。顯而易見，能動專業的畢業生是落實國家“節能優先、綠色低碳、立足國內、創新驅動”四大能源戰略[3]的中堅力量。

我國于2016年6月被國際工程聯盟批準為《華盛頓協議》第18個成員，標志著工程教育人才培養得到了其他成員“實質等效”認可[4]。

當今世界正進行新一輪科技革命和產業變革，我國經濟發展面臨重大機遇和嚴峻挑戰[5]。為適應以新技術、新產品、新業態和新模式為特點的新經濟，迫切需要深化高等工程教育改革[6]。為此，教育部于2017年6月發布了《新工科研究與實踐項目指南》，標志著新工科建設正式進入探索階段。指南中明確提出，要推進基于成果導向的工科學生工程實踐能力培養[7]。

綜上所述，培養學生實踐能力已然成為當下高等教育的緊迫任務。相對于理論教學，實驗教學具有直觀性、實踐性、綜合性、創新性的特點[8]，在培養學生實踐創新能力方面發揮著舉足輕重的作用[9]。鍋爐是最重要的能源轉換設備，我國75%以上的煤炭由鍋爐通過燃燒過程轉換成熱能并加以利用[ 10 ]，可以說“鍋爐原理”和“工程燃燒學”兩門課程是能動專業最重要的專業核心課程，對培養專業創新性人才發揮不可替代的作用。然而，由于條件有限多年來我校本科生一直未能開設與鍋爐相關的實驗課程，本次借助學校優化學科布局[ 11 ]的機會，建設實驗教學平臺，提升學生的培養質量，以便更好地服務于國家能源戰略。

二、“鍋爐原理”課程實驗教學平臺建設

在建設實驗平臺時，重點考慮了以下三個問題。首先，從平臺功能上看，除了能完成煙氣成分測試及熱平衡（或熱效率）分析兩個基本實驗外，盡量有更多的擴展功能;其次，從服務對象上看，平臺除了能滿足本科及部分研究生教學應用外，最好能兼顧自主創新和科學研究;最后，從投資角度看，平臺需滿足占用場地小、危險性低、投資少的要求。由此看來，購置小型整裝工業鍋爐實驗平臺本體并不合適，因為投資高、危險性大（鍋爐屬于壓力容器）、占用場地多、可調節功能少等。所以，以燃氣灶、鍋具為主體，搭建實驗教學平臺更為可行。因為該平臺除具備整裝工業鍋爐平臺的所有功能（燃燒及傳熱測試）外，還具有容易擴展、便于觀察、貼近生活等特點，這些功能和特點有助于提升學生學習和研究興趣。

實驗教學裝置如圖1所示，該裝置由燃氣灶具本體、燃氣供應系統、數據采集系統構成。燃氣灶具本體包括商用燃氣灶、尖底鍋具、攪拌器等，其中燃氣灶選用液化氣類型，以方便搭配罐裝液化氣，避免鋪設燃氣管線。燃氣供應系統由燃氣罐、減壓閥、壓力表、輸氣管等構成。數據采集系統是實驗平臺的核心，通過數據的收集、處理和分析，全面準確地評價燃氣灶具的性能，滿足教學實驗和創新研究要求;數據采集系統包括Scion氣相色譜儀、氣體流量表、Mru煙氣分析儀、Testo紅外熱像儀、S型熱電偶、Agilent數據采集儀等構成;燃氣組分由色譜儀分析以計算燃氣熱值，煙氣分析儀測定煙氣成分以評價燃氣灶燃燒狀況，熱電偶測試溫度分布以評價灶具傳熱狀況，紅外熱像儀拍攝整體熱場輔助分析燃氣灶具性能。為了確保安全，實驗室安裝有燃氣泄漏報警器，防止燃氣罐泄漏爆炸事故發生。

三、燃氣灶具熱效率及CO排放實驗方法

燃氣灶具的性能包括熱效率、燃燒效率等熱工性能以及CO、NOx等排放性能，其中熱效率和CO排放是衡量燃氣灶具最主要的兩個性能指標[ 12 ]。影響兩者的因素很多，如燃氣灶眼孔徑、孔數、傾斜角，以及鍋具形狀、大小等。作為案例，按照下面的方法，可完成鍋架高度影響燃氣灶具性能的實驗。

基于實驗教學平臺進行實驗時，遵循的步驟為：（1）實驗準備，檢查燃氣泄漏報警器及實驗系統各設備是否工作正常，開啟實驗室通風換氣系統，鍋具加裝一定量的冷水，燃氣采樣并進行成分測定等;（2）實驗啟動，燃氣灶點火，調節火量旋鈕、一次風門擋板、鍋架高度等參量，滿足實驗預定條件;（3）實驗測試，將鍋具放在鍋架上并開始計時，監測水的升溫過程，至水升溫到設定溫度時停止計時。在此期間，進行火焰溫度測試、煙氣成分測定（測點滿足《家用燃氣灶具》GB 16410-2007要求）、熱場紅外拍攝，記錄水的溫升、加熱時間、燃氣流量等;（4）實驗結束，所有實驗工況完成后，關閉儲氣罐及燃氣灶，清空鍋具內的水，關閉實驗系統其他設備，關閉實驗室通風換氣系統。

基于實驗測試的水量、水的溫升、燃氣量、燃氣成分、煙氣成分等數據，計算了燃氣灶具的熱效率和CO排放濃度隨鍋架高度的變化關系，結果如圖2、圖3所示。

從圖2、圖3中可以看出，隨著鍋架高度（火蓋上表面與尖鍋底之間距離）的增加，熱效率和CO排放呈現減小的趨勢，變化規律與黃亞繼等人與薛治家等人在文獻中的表述一致[ 13，14 ]。但相比于上述文獻中的數據，本文的CO排放濃度偏高、熱效率偏低?？赡艿脑蛴校罕緦嶒炛腥細鉃橐夯蜌猓啾扔谔烊粴怆y燃燒;鍋體為尖底鍋，鍋底與火焰距離小，影響了燃燒過程;商用燃氣灶結構不同，燃燒傳熱性能有差異。

從節能的角度看，熱效率是最受關注的性能指標，為了探討鍋架高度影響熱效率的原因，測試了鍋壁周圍的煙氣溫度分布（見圖4a、圖4b）。煙氣溫度分布圖中，橫坐標X=0處代表鍋具兩側壁面位置，煙氣溫度以此呈左右大體對稱分布;圖4中Z代表測點高度，隨著Z的增加，煙氣將熱量傳遞給鍋具而溫度降低。圖4b相較于圖4a，鍋架升高了2cm，若以鍋具作為參照物，圖4b中Z=6.5cm處與圖4a中Z=4.5cm處是同一位置，表明鍋架升高后，與鍋體接觸傳熱的煙氣溫度低了約150℃。另外，鍋架高意味著火焰接觸鍋壁面積更小。更低的煙氣溫度、更小的接觸面積，導致燃氣灶具熱效率隨鍋架升高而降低（見圖2）。此外，因鍋架升高，火蓋與鍋底間距拉大，火焰燃燒空間變大，外界大氣更容易擴散進入火焰，表現為煙氣O2濃度更高，燃燒會更加徹底，因而CO排放濃度降低（見圖3）。

本實驗裝置測得的熱效率和CO排放規律與已有文獻相同，說明了實驗裝置的準確性;除此之外，實驗裝置中的煙溫測試和紅外成像，豐富了實驗結果的探討。因此，燃氣灶具性能測試裝置是較好的教學與科研平臺。

四、“鍋爐原理”課程實驗教學平臺應用

天然氣作為一種清潔能源，對國家的節能減排、低碳發展極為重要，在國家的能源結構中，天然氣所占比重逐年增加。2017年生活消費天然氣、液化石油氣占比分別為17.6%、59.1%。從絕對量上看，2017年生活消費天然氣、液化石油氣分別為420.3億立方米、3225萬噸，將液化氣（熱值50179kJ/kg）按熱量折算成天然氣（熱值38931kJ/m3）約為415.7億立方米，兩項以天然氣計量達836億立方米。如此看來，生活消費的天然氣量相當驚人，而前面的實驗及相關文獻表明，當前燃氣灶的熱效率僅為50%左右，與燃氣鍋爐熱效率90%相比，燃氣灶熱效率明顯偏低、浪費清潔燃料嚴重[ 12-14 ]。所以，開展燃氣灶節能提效研究是一項非常有價值的工作，也是應用鍋爐原理知識，解決工程問題的典型研究方向。

基于本實驗平臺，學生可以開動腦筋、提出增效措施（例如加裝擋風節能罩、優選燃氣組分等）、設計實驗方案，完成自主創新內容的實驗，結合采集的各項數據，運用“鍋爐原理”課程知識，分析燃氣灶具提效的原理。這些工作會極大地培養學生理論聯系實際的思維習慣和孜孜以求的科研創新精神。因此，“鍋爐原理”課程實驗教學平臺，在支撐學生申報科研創新項目、參加國家大學生節能減排競賽等方面有廣闊的應用前景。

五、結語

針對“鍋爐原理”“工程燃燒學”等課程無教學實驗設備，以及民用燃氣灶具熱效率低、浪費清潔能源天然氣的現狀，設計搭建了燃氣灶具性能測試實驗裝置，為深化理解鍋爐原理知識、探究燃氣灶具節能提效措施、實現民用天然氣清潔高效利用提供了研究平臺。

本文建設的“鍋爐原理”課程實驗教學裝置，系統完備、功能齊全。基于該平臺，本科生可進行熱平衡測試和煙氣成分分析實驗，研究生可進行燃燒焓驗證實驗;此外，學生還可自主設計實驗條件，完成綜合性和創新性實驗。實驗平臺的建設，體現了科學研究與教學應用相結合的思路，對培養學生的實踐創新能力發揮了積極作用。

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