热动专业“热能转换与利用”教学内容设计

摘要：“热能转换与利用”课程是热能与动力工程专业的专业特色课程。对于学生掌握热能转换与利用的基本原理和分析方法、实际转换设备与转换系统的特点和设计计算具有重要作用。本文针对热能动力工程专业的要求，对教学内容的设计进行了探讨，提出将热力系统分析作为教学的主要侧重内容，以培养学生的素质，开拓学生的视野。

关键词：热能动力；热能转换与利用；教学内容

中图分类号：G642.41 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2015）03-0139-02

在能源的利用中，绝大部分是通过热能这一形态加以利用的，或由热能转换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，绝大部分也是以余热的形式存在的。对各种余热的回收与利用，也离不开热能转换与利用的知识[1]。自热力学理论确立后，人们虽然从理论上认识到，热力学过程中能量的交换及其利用，应根据热力学第一定律和第二定律对能量的数量和品质两方面进行分析研究。但是，在实际热能工程技术的设计、管理和改进上，主要还是依据热力学第一定律，即能量守恒与转换定律。也就是说，只是单一地从能量的数量角度出发，以焓为基础的热平衡计算分析方法。然而，由于此法未考虑热力学第二定律所表明的能量品质，因为人们生活在地球表面的一定客观环境中，供给人们所需的能量有可以利用的部分（称有用能或“火用”）和受环境限制无法利用的部分（称无用能或“火无”），即相同数量的不同形式的能量所含的“火用”和“火无”的数量是不一定相同的，或者说能量还具有另一方面的问题——品质。因此，在认识所谓能量损失上就产生一定程度的混淆，由此在确定能量损失的分布及采取提高能量利用效率的技术措施时，就难免在热力学上得出错误的结论，达不到预期的效果。为此，近几十年来，国内外有关专家学者在热力学的理论领域内和工程技术的管理上大力提倡把热力学第一定律和第二定律综合起来考虑，并以第二定律为主，即从热力过程不可逆性引起可用能损失变成无用能的角度出发，以用火用为基准的火用分析方法来评价能量利用的科学性和合理性。由于此“火用分析法”中的“火用效率”更能准确地反映各热力设备或整个装置系统技术上或热力学的完善程度，可以从中明确提高能源利用效率的正确目标，并采取相应的措施。所以最近几十年来，前苏联、德、日、法、美等国家已将“火用分析法”广泛应用于能源利用及动力、低温、制冷、热泵、化工、冶金等方面。最近二三十年来，我国也在火用分析的基础理论及其实际应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广泛重视。许多院校的热动专业都增设了“火用分析”的相关课程[2]。

一、“热能转换与利用”课程定位

首先，从学科角度讲，认识到“热能转换与利用”课程的衔接和过渡作用。本课程向上承接“工程热力学”等前期专业基础课程，是对上述基础课程内容的扩展和深化；向下则与后续的“热力发电厂”、“燃气—蒸汽联合循环发电”、“制冷与低温技术”、“能源与节能技术”等专业课程紧密相连，为学生理解掌握相关专业知识奠定基础[3]。热能动力工程专业的学生通过本课程的学习，可掌握热能转换的基本原理，并具备一定的分析研究和解决热能利用中的具体问题的能力，为今后在实际工作中，管好、用好能源，降低企业的能源消耗，提高能源利用率打下基础。热能转换与利用内容丰富、发展迅速、学科交叉性强，涉及热力学、流体力学、传热学等诸多专业课程，是热能动力工程专业的一门重要的技术基础课程。因此开设“热能转换与利用”课程非常必要，对于学生回顾深化所学过的“热力学”等专业基础课程，深入学习掌握后续专业课程，培养锻炼学生利用所学理论知识分析、解决实际问题的能力，都有着非常重要的作用[4]。

二、热能动力工程专业“热能转换与利用”课程设计

本课程要介绍有关热能转换与利用的基本原理、分析方法，以及实际转换设备与系统地特点和设计计算方法。给学生在“工程热力学”的基础上提供“火用分析法”的基本理论、基本知识和基本方法，培养学生分析、解决实际问题的能力，为将来合理地利用能源及从事节能工作打下必要的基础。“热能转换与利用”课程是热能动力工程专业的专业必修课，共48学时。先后介绍了能源概论、能量转换基础、热力系统分析、工业企业中的热能利用、热回收用换热设备。

第1章能量概论，在介绍有关能源的一些基本概念的基础上，认识热能的重要性，了解热能利用现状。热能是人类使用最为广泛的一种能量形式，在一次能源中，热能资源也占了绝大部分。在能源的利用中，绝大部分是通过热能这一形态加以利用的，或由热能转换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，绝大部分也是以余热的形式存在的。

第2章能量转换的基础理论，重点介绍能量的质量分析—火用分析的方法。为了有效地利用热能，正确地指导节能工作的开展，找到能量损失所在，需要结合热力学第一定律和第二定律，从量和质两个方面全面地进行分析。本章就是要运用工程热力学理论，介绍分析能量转换过程的方法，着重介绍火用分析的方法，详细叙述了不同条件下的火用、火用损失的计算方法及其影响因素，并介绍实际热工设备的火用平衡、火用效率的分析方法。

第3章热力系统分析，是用火用分析方法具体分析热力循环和热力系统，弄清影响热力系统效率的因素和提高效率的途径。重点分析动力循环、热电联产系统和热泵系统，分析各个转换过程及系统的火用损失大小，找到减少火用损失的主攻方向，提出改进整个热力系统，提高火用效率的主要途径。

第4章工业企业中的热能利用，介绍企业中的余热资源及其利用方法，分析企业的能源平衡、能耗指标以及余热资源情况。介绍各种不同的余热资源的回收方法、回收系统对节能效果的影响。提高企业的能源利用效率，挖掘节能潜力，对企业能源系统进行分析，通过能量平衡确定其有效利用部分和各项损失的大小，寻求减少损失及有效回收利用余能的途径。

第5章热回收用换热设备，介绍余热回收用的各种换热器的工作原理、结构特点、设计计算方法、使用场合等内容，为今后进行余热回收时，能正确选择和设计计算换热器，并为研究开发高效新型换热器打下一定的基础。同时介绍热管换热器、流化床换热器等新型换热器和换热器的发展趋势及优化设计。

课程内容分为理论与实践两部分，第一章、第二章运用热力学基本理论阐述“火用”及“火用分析法”的基本概念、火用和火用损失的计算及火用分析的基本方法，即为火用和火用分析的基础理论部分。第三～五章以工程实例说明火用分析法的具体应用，分别对蒸汽动力装置、气体动力装置及制冷、热泵装置进行具体火用分析。并结合工业企业中的热能利用介绍了余热回收方法与换热设备。对于本校的“热能与动力工程专业”来说，本专业学生主要学习动力工程及工程热物理的基础理论，学习各种能量转换及有效利用的理论和技术，训练进行动力机械与热工设备设计、运行、实验研究的基本能力。专业培养方案设置了电厂热能与动力工程、工业炉窑工程、制冷及低温工程、供热工程等方向的专业课程。从专业培养方案的设置可以看出“热能转换与利用”是热动专业的基础课程，热能转换与利用的热力学基础理论是热动专业的理论基础，热能转换与利用的热力系统分析则是热动专业的核心内容，包括蒸汽动力循环的系统分析、燃气—蒸汽联合循环系统分析、热电联产系统分析、中低温余热动力回收的热力系统分析、热泵系统分析等，是热动专业的主要专业课程及核心课程。热能转换与利用课程的学习为后续的专业课程奠定了坚实的基础，也为热动专业的学习奠定了深厚的基础。因此，我们提出将热力系统分析作为教学的主要侧重内容，热能动力工程专业的学生通过本课程的学习，可掌握热能转换的基本原理，并具备一定的分析研究和解决热能利用中的具体问题的能力，为今后在实际工作中，管好、用好能源，降低企业的能源消耗，提高能源利用率打下基础。

三、结论

“热能转换与利用”课程在热能与动力工程专业学生的学习过程中，起着承上启下的衔接作用，课程内容非常重要。由于热能转换与利用发展迅速，内容丰富，本文以我校开设“热能转换与利用”课程的实践为例，从“热能转换与利用”课程的定位、“热能转换与利用”课程教学内容的编排两个方面进行了详细的介绍。提出将热力系统分析作为教学的主要侧重内容，以培养学生分析、解决实际问题的能力，为将来合理地利用能源及从事节能工作打下必要的基础。我校“热能转换与利用”课程的内容和教学体系设计总体上思路清晰、内容充实、层次分明，很好地完成了“热能转换与利用”课程的既定目标和要求。

参考文献：

[1]汤学忠，热能转换与利用[M].北京：冶金工业出版社，2002.

[2]吴存真，张诗针，孙志坚.热力过程火用分析基础[M].杭州：浙江大学出版社，2000.

[3]王保文，王为术，高传昌.电厂热能动力工程专业“燃烧学“教学内容设计[J].中国电力教育，2010，（30）：100-101.

[4]金晶，林郁郁，张守玉.热动专业“清洁燃烧技术”教学内容设计[J].中国电力教育，2012，（34）：93-94.

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