工程熱力學理論與實踐相結合的教學探討

李季 郭民臣

[摘 要]工程熱力學是能源與動力工程等專業的核心基礎課程，課程概念繁多、內容抽象、工程應用廣泛。可以以課程中的重要知識點回熱為例，將課程理論教學與實踐教學緊密結合，引入不同領域的實踐教學案例，對課程內容進行應用和拓展。同時結合熱力學經典理論，分析和闡釋回熱知識點的本質和精髓——“溫度對口，梯級利用”。通過理論與實踐相結合的教學，能提高學生對工程熱力學重要知識點的深入理解。

[關鍵詞]工程熱力學;實踐教學;回熱知識點

[中圖分類號] G642.3 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2019）03-0053-03

工程熱力學課程是一門經典的理論課程，課程闡述了熱能的有效利用以及熱能和機械能相互轉換的基本規律，并以熱力學第一定律和熱力學第二定律為理論基礎，對實際熱工設備的能源轉換和能源利用問題進行分析，以提高能源轉換效率。工程熱力學是一門理論與實踐結合緊密的課程，課程的實踐性強，不僅在能源與動力工程學科，在其他學科也有著廣泛的應用，包括核電、建環、制冷、航天、航空、化工等領域。該課程具有概念繁多、內容抽象、系統性強、工程應用廣泛等特點，如何將抽象的理論知識與復雜的工程實踐進行有機結合，有效解決實際工程問題，是課程教學中所面臨的挑戰。華北電力大學工程熱力學課程面向能源與動力工程專業本科生教學，側重于電廠熱能動力工程方向，將熱力學基礎理論與實踐應用有效結合。針對工程熱力學課程教學和改革的研究已廣泛開展[1-5]，本文以課程中的重要知識點回熱概念為例，將熱力學基本理論與專業實踐相聯系，深化學生對基本概念的理解，強化課程的實踐應用，培養學生對專業的認知感和實踐能力。

一、回熱在課程中的理論講解

回熱是工程熱力學中的重要知識點，其對于理解火電廠熱力系統的工作原理、理解火電廠節能思路非常重要，而且在后續課程傳熱學、汽輪機原理、熱力發電廠中該知識點都有體現。回熱概念的定義為[6]：利用工質排出的部分熱量來加熱工質本身的方法稱為回熱。回熱的概念在熱力學第二定律之概括性卡諾循環的描述中首次出現，概括性卡諾循環原理中還提出了極限回熱的概念。

極限回熱是指將工質排出熱量的最大部分用于加熱工質，即圖1中將過程bc向低溫熱源排出的熱量（面積bhgcb）全部用于過程da吸熱所需要的熱量（面積afeda，等于面積bhgcb），由于da的熱量是從循環內部提供的，并不是從高溫熱源吸收的熱量，因此循環的吸熱量為等溫過程ab所吸收的熱量，放熱量為等溫過程cd所放出的熱量。

回熱概念在工程熱力學中多次出現，除熱力學第二定律之概括性卡諾循環外，帶有回熱的壓縮空氣制冷循環、帶有回熱的燃氣輪機裝置循環中都提到回熱的概念[7]。如圖2所示，帶有回熱的壓縮空氣制冷循環是利用冷卻器中出來的熱空氣的熱量（對應右側T-s圖的4-5過程），對冷藏室出來的冷空氣進行加熱（T-s圖1-2過程）;如圖3所示，帶有回熱的燃氣輪機裝置循環是利用燃氣透平中出來的溫度較高的廢氣（T-s圖4-6過程），對壓氣機出來的溫度較低的空氣進行加熱（T-s圖2-5過程）。

通過以上幾部分對回熱知識點的精講，學生基本掌握了基本概念和工作原理，但由于概念比較抽象，講解過程中理論性較強，學生又是第一次接觸回熱的概念，部分學生對概念理解不透徹，無法與專業實踐相結合。除了理論上對照設備圖講解工作原理，對照T-s圖分析工作過程外，更重要的是將理論與實踐相結合，通過生活中的案例使學生理解概念的目的，強調回熱的目的是利用工質向低溫熱源排出的熱量，即“余熱”的概念，對系統中冷的工質進行加熱，即“預熱”的概念，目的是提高循環的經濟性。如汽車冬天開熱風實際上就是利用發動機散熱所提供的熱量，利用發動機的余熱對進入車內的冷空氣進行預熱，為車內提供熱風，并不增加汽車油耗，可節約部分能源。此外，回熱作為提高熱效率的一種行之有效的方法，在熱動裝置中已被廣泛采用，如斯特林發動機循環、燃氣動力裝置循環以及大中型蒸汽動力裝置循環普遍采用回熱系統。

二、回熱在電廠中的應用拓展

工程熱力學在精講理論的基礎上，將理論與實踐結合，這有益于加深學生對課程中比較抽象概念的理解，其中將火電廠能動專業實踐的案例在課程中進行應用和拓展的效果尤其明顯。蒸汽動力裝置中的抽汽回熱循環即為回熱知識點在火電廠中的應用，是典型的專業實踐教學案例。火電廠熱力系統采用多級抽汽方式，利用汽輪機抽汽加熱鍋爐低溫給水，是典型的回熱概念。圖4為火電廠抽汽回熱循環設備圖和T-s圖（以二級抽汽回熱循環為例）。

回熱器（電廠稱為加熱器）的本質是冷熱工質進行熱量交換的設備，從汽輪機中的高溫抽汽在回熱器中放熱，從凝汽器中的低溫給水在回熱器中進行吸熱。如圖4所示，從鍋爐過熱器中產生的過熱蒸汽進入汽輪機做功，做功到第一級抽汽壓力時（T-s圖1-6過程），抽取少部分蒸汽進入一號回熱器，余下的蒸汽繼續做功到第二級抽汽壓力時（T-s圖6-8過程），再抽取少部分蒸汽進入二號回熱器，剩余的蒸汽在汽輪機中繼續做功到乏汽的壓力（T-s圖8-2過程），再進入凝汽器放熱（T-s圖2-3過程）;從凝汽器出來的凝結水經水泵1加壓后首先進入二號回熱器，由二級抽汽對其進行預熱，在回熱器中低溫抽汽在回熱器中放熱（T-s圖8-9過程），凝結水在回熱器中進行吸熱（T-s圖3-9過程）;從二號回熱器出來的給水，經水泵加壓后，隨后繼續進入一號回熱器，二級抽汽對其進行預熱，在回熱器中高溫抽汽在回熱器中放熱（T-s圖6-7過程），凝結水在回熱器中進行吸熱（T-s圖9-7過程）;從一號回熱器出來的給水，經給水泵加壓后，再進入鍋爐中進行加熱過程（T-s圖7-1過程）。

回熱器有兩種形式，一種是混合式的，抽汽與給水直接混合換熱，回熱器出口溫度達到抽汽壓力下的飽和溫度;另一種是表面式的，抽汽與給水不直接接觸，通過換熱器壁面交換熱量。火電廠300MW以上機組多采用“三高四低一除氧”的8級抽汽方式，即有3個高壓回熱加熱器，4個低壓回熱加熱器，1個除氧器;除氧器為混合式加熱器，其他回熱器為表面式加熱器。

回熱作為提高機組經濟性的有效手段，在火電廠中應用非常廣泛。除抽汽回熱系統外，電廠中空氣預熱器利用鍋爐尾部煙氣的余熱加熱低溫冷空氣，同樣是回熱概念的應用。此外燃氣-蒸汽聯合循環電廠中，利用燃氣輪機透平排出的較高溫度的廢氣對蒸汽動力循環中的工質進行加熱，也是回熱概念的拓展。

工程熱力學中除了采用火電廠的實踐教學案例外，在其他行業中的實踐教學案例也很豐富，如回熱系統中在汽車中的應用，利用發動機冷卻液加熱冷空氣;在制冷系統中的應用，利用進入節流閥前的高壓液態制冷劑加熱從蒸發器出來的制冷劑蒸汽;在生活中的應用，飲水機中利用沸水對冷水預熱產生溫水，此外工業生產過程中余熱的回收，都是利用溫度較高的余熱對溫度較低的工質進行預熱，這些都是回熱概念的拓展。關于回熱的研究在各學科領域中也已經廣泛開展[8-11]。

三、回熱概念的精髓分析

回熱的目的是提高循環熱效率，基本原理是根據熱力學第二定律卡諾循環熱效率基本公式，對于多熱源的可逆循環，其熱效率公式為：

以帶有回熱的燃氣輪機裝置循環為例，如圖3中T-s圖所示，不采用回熱時，循環中工質的吸熱過程是2-3，放熱過程是4-1;采用回熱后，循環中工質的吸熱過程是7-3，放熱過程是8-1。相比于不采用回熱，7-3段的平均吸熱溫度明顯高于2-3段的平均吸熱溫度，8-1段的平均吸熱溫度明顯低于4-1段的平均吸熱溫度，相當于公式1中平均吸熱溫度[T1]升高，平均放熱溫度[T2]降低，因此提高了循環的熱效率。對于火電廠抽汽回熱循環，如圖4中T-s圖所示，不采用回熱時，循環中工質在鍋爐中的吸熱過程是3-1，放熱過程是2-3;采用回熱后，循環中工質的吸熱過程是7-1，放熱過程是2-3。相比于不采用回熱，7-1段的平均吸熱溫度明顯高于3-1段的平均吸熱溫度，而放熱過程沒有變化，相當于公式1中平均吸熱溫度[T1]升高，平均放熱溫度[T2]不變，因此提高了循環的熱效率。

回熱概念的精髓，是中國科學院工程熱物理研究所吳仲華先生提出的“溫度對口，梯級利用”的概念，即通過熱機把能源最有效地轉化成機械能時，基于熱源品位概念的“溫度對口、梯級利用”原則[12]。如火電廠熱力系統中采用“三高四低一除氧”的回熱方式，參數較高的抽汽在高壓加熱器加熱高溫給水，參數較低的抽汽在低溫加熱器加熱低溫給水，即體現了溫度對口、能量的梯級利用的原則。溫度對口的本質是減小傳熱溫差，降低不可逆損失，減少做功能力損失，這實際上體現了熱力學第二定律的精髓。因此在講解回熱知識點的同時，可與熱力學第二定律結合，讓學生從理論上理解回熱概念的精髓，從實踐中理解火電廠采用多級抽汽回熱的本質原因。

四、結語

本文以工程熱力學課程中的回熱知識點為例，將熱力學理論教學與實踐教學相結合，引入了帶有回熱的壓縮空氣制冷循環、帶有回熱的燃氣輪機裝置循環、火電廠抽汽回熱循環等相關案例，通過熱力學第二定律的理論分析，闡述了基于熱源品位概念的“溫度對口、梯級利用”原則，闡釋了回熱知識點的本質和精髓。

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[責任編輯：陳 明]