以節能減排競賽為抓手，培養本科生創新思維與實踐能力

方啟，索艷格，張治國

浙江科技學院能源與環境系統工程系，杭州 310023

創新思維與實踐能力的培養對提高大學生適應未來工作的能力有重要意義。浙江科技學院是一所應用型本科院校，學校一向重視學生創新思維和實踐能力的培養。學校教師也鼓勵學生利用課余時間，積極參加業余科研和各類科技競賽。在此，分享一下我們參加第十三屆全國大學生節能減排社會實踐與科技競賽的經歷。介紹我們從選題到制作作品，再到參加決賽的過程中，是如何將課堂所學的知識真正地應用到產品設計上，同時分享一下我們在比賽過程中的一些心得體會。

1 競賽背景

全國大學生節能減排社會實踐與科技競賽(以下簡稱“節能減排競賽”)是由教育部高等教育司主辦、唯一由高等教育司辦公室主抓的全國大學生學科競賽，是教育部確定的全國十大大學生學科競賽之一。該競賽緊密圍繞國家能源與環境政策、結合國家重大需求，充分體現了“節能減排、綠色能源”的主題，得到了教育部和廣大高校的高度關注[1]。節能減排競賽鼓勵學生從課堂的理論學習出發，關注社會生活中的污染排放和能源不合理利用等問題，切實將課堂上學習到的先進知識有效地利用到社會生產生活中去。這樣的參賽經歷不僅有利于提高學生的創新思維和應用實踐能力，而且也能為部分理論概念得到更加廣泛的應用場景提供平臺。

浙江科技學院高度重視節能減排競賽，在校內進行宣傳，鼓勵學生積極參與，并舉辦校內小型海選，專業評委老師給予評價和指導。通過校內海選，一方面，部分不完善的設計方案被剔除出去，確保參賽作品的質量；另一方面，評委老師還為我們后期進一步提高作品的質量提供了許多關鍵性的指導意見。

2 團隊建設

獨木不成林，一個人的力量有限，想要完成一個好的作品，必須依靠團隊力量。因此，我們首先進行了團隊建設，建立了一支優勢互補的創新團隊。團隊核心成員是我校能源與環境系統工程系的方啟和唐杰，這兩位成員自大二開始就進入指導教師的實驗室做實驗助理，進行了精細化學品、功能性新材料和熱電制冷方面的科研訓練和實踐，具有一定的實踐操作能力，在項目選題過程中發揮了重要的作用。根據項目需求，我們另外優選了幾位具有不同特長的隊員。王杰董同學善于表達，他優異的口才可為后期作品答辯提供更好的保障。謝浩鋒同學思維敏捷、精于計算，他總能提出許多有創新性的改進意見。魏士凱同學精通各類視頻剪輯軟件以及繪圖工具，可為高質量的答辯PPT和展示視頻的制作提供幫助。在參賽作品的制作過程中，大家各司其職，有條不紊，為共同的目標而奮斗。

團隊建立好后，我們根據節能減排競賽的時間節點，制定了完整的工作計劃，比如，什么時間需要確定好選題，什么時間需要完成產品的設計，什么時間需要完成產品雛形的制作等。在整個作品的完成過程中，團隊成員分工有序，從定題到設計，從實物制作到決賽答辯，我們積極溝通與交流，相互幫助，共同完成了整個參賽作品的制作。在這個過程中，我們每個人的創新思維能力、實踐操作能力、細節把握能力以及團隊協作能力都有了顯著的提高。

3 競賽選題

一個作品能否引起大家的關注，選題是首要環節。對于科技競賽作品，需要具備以下幾個特點：創新性、價值性、科學性和可行性。結合節能減排競賽“節能減排、綠色能源”的主題，我們首先在選題上進行了大量的工作。團隊成員自2019年10月開始，查閱各種資料，閱讀大量文獻，并于每周召開小組討論會議，交流各自搜集到的有益信息，進行頭腦風暴。我們發現，蒸餾是化工領域中最成熟、應用最廣泛、且必不可少的一種分離工藝。然而，傳統蒸餾裝置的能耗非常高。當前，節能減排是全球可持續發展的主題，蒸餾作為一種典型的高能耗分離過程，如何降低蒸餾過程的高能耗已成為迫切需要解決的關鍵難題。所以我們決定以低能耗蒸餾裝置的設計作為研究目標。

4 實施過程

4.1 項目背景和意義

蒸餾是一種熱力學的分離工藝，它利用混合液體或液-固體系中各組分沸點不同，使低沸點組分蒸發，再冷凝以分離整個組分的單元操作過程，是蒸發和冷凝兩種單元操作的聯合(如圖1所示)。蒸餾是最重要且應用最廣泛的化工分離操作，是化學工業的首選分離技術[2]，廣泛應用于酒類生產、海水淡化、石油化工、食品醫藥等各個領域液體物料的分離。

圖1 傳統蒸餾裝置的工作原理

但是，蒸餾是一種典型的高能耗分離工藝，特別是在石油煉制和某些化工企業中，主要能量消耗均在蒸餾操作上。據統計，化工過程中40%–70%的能耗用于分離，而蒸餾能耗又占其中的95%[3]。蒸餾過程的高能耗主要體現在加熱蒸發階段的高溫過程和冷凝階段的低溫過程，都需要消耗海量能源。在蒸發過程中，需要提供能量用以加熱混合物，使液態物質完成氣化過程。在冷凝過程中，更需要消耗能源進行制冷[4–6]，完成高溫氣態物質的冷凝。因此，蒸餾工藝的蒸發和冷凝兩個過程都是高耗能的過程。同時，傳統蒸餾方式的能源利用效率又非常低，據計算，傳統蒸餾裝置的能源利用效率僅為30%，其余大部分熱量散失到環境空氣中，能源浪費嚴重。

當前，節能減排成為全球可持續發展的主題，降低蒸餾過程的高能耗已成為迫切需要解決的關鍵難題。多年來，針對蒸餾過程高效節能技術的研究已經得到了充分的探索[6,7]，但是由于蒸餾過程蒸發階段和冷凝階段都需要消耗海量能源，因此總體能耗僅有有限程度的改善。隨著全球經濟的迅猛發展，人類的能源需求與日俱增，高能耗的蒸餾工藝給化工分離過程帶來了越來越大的挑戰[7,8]。

在課堂學習中，我們曾學習過熱電制冷片的工作原理，也即半導體材料的帕爾貼效應。帕爾帖效應是指電流經過不同的半導體組成的回路時在不同半導體的接頭處會分別出現放熱和吸熱現象，形成半導體制冷片的高溫端和低溫端[9,10]。在查閱大量文獻后，我們發現，目前的應用中，大多利用熱電制冷片的低溫端獲得制冷效果，而高溫端的熱量多被釋放到環境中，這不僅造成了能源和資源的浪費，也造成了環境的污染。于是，我們靈機一動，是否可以將半導體的帕爾貼效應耦合到蒸餾裝置中，將半導體制冷片的高溫端應用于蒸餾的蒸發過程，將半導體制冷片的低溫端應用于蒸餾的冷凝過程，實現蒸餾過程中加熱與冷卻的倍增協同，大幅降低蒸餾工藝的能耗？于是，我們的課題“一種可實現加熱與冷卻倍增協同的高能效蒸餾裝置”就產生了。

4.2 實驗方案制定與執行

4.2.1 設計原理

帕爾帖效應是指電流經過不同的半導體組成的回路時在不同半導體的接頭處會分別出現放熱和吸熱現象，形成半導體制冷片的高溫端和低溫端[9,10]。如圖2所示，當一塊N型半導體材料和一塊P型半導體材料聯結成的熱電偶對中有電流通過時，兩端之間就會產生熱量轉移，熱量就會從一端轉移到另一端，從而產生溫差形成冷熱端[11–14]。

圖2 (a) 帕爾貼效應原理圖[9]；(b) 半導體制冷片示意圖[10]

我們作品的核心節能原理是將半導體制冷片的帕爾貼效應耦合進入蒸餾裝置，將半導體制冷片的高溫端用于蒸餾的蒸發過程，將半導體制冷片的低溫端用于蒸餾的冷凝過程，實現蒸餾過程中加熱與冷卻的倍增協同。

4.2.2 方案制定

在開展實物產品設計時，首先根據工作原理(如圖3所示)將設計的蒸餾模塊安裝在半導體制冷片的高溫端，通過半導體制冷片熱端產生的熱量對待蒸餾的混合組分不斷加熱，使之升溫并產生乙醇蒸氣，半導體制冷片熱端即可作為蒸餾裝置的加熱部分。再將加熱產生的乙醇蒸氣通過半導體制冷片的低溫端進行換熱，獲得冷凝后的乙醇。然而，實際測試中發現，由于氣體的導熱系數較低，換熱效果不良，這種設計方案有很大的改進空間。

圖3 工作原理示意圖

團隊成員在與指導教師討論分析后，對產品設計進行了優化。采用循環水冷的方式，以水作為工質對半導體制冷片的低溫端進行換熱，該循環水冷再對乙醇蒸氣進行冷卻，在冷凝管中實現乙醇蒸氣的液化與回收。最終優化后的設計方案及實物圖如圖4所示。

圖4 作品設計方案示意圖

4.2.3 實物設計

我們作品設計的高能效蒸餾裝置的部件主要包括半導體制冷模塊、蒸發箱體、水冷箱體、測溫模塊、電源模塊、儲液槽、冷凝管、循環水泵、蒸餾液收集槽等。以蒸餾乙醇為例，采用半導體制冷片的高溫端對蒸發箱體中的乙醇進行直接加熱，實現乙醇的氣化；而半導體制冷片的低溫端對循環水冷介質進行冷卻，該循環水冷再對乙醇蒸氣進行冷卻，在冷凝管中實現乙醇蒸氣的液化與回收。

(1) 半導體制冷片。

選用如圖5a所示的半導體制冷片，其主要參數如下：外形尺寸為40 × 40 × 3.75 mm；內部電阻為2.1–2.49 Ω；最大溫差(ΔTMAX)為67 °C；工作電流(IMAX)為4–4.6 A ；額定電壓為12 V；制冷功率(QcMAX)為50–60 W。工作過程中使用四片制冷片，采用并聯方式。

圖5 核心部件示意圖

(2) 蒸發箱體。

蒸發箱體與半導體制冷片的高溫端接觸，吸收高溫端的熱量，并加熱箱體中的乙醇，完成乙醇的蒸發過程。根據半導體制冷片的尺寸，設計了如圖5b所示的蒸發箱體，其外形尺寸為40 × 40 ×80 mm，箱體內設翅片，增加受熱面積，強化換熱，提高加熱效率。箱體底部開孔，將待蒸餾乙醇引入蒸發箱體中；箱體上部開口，將乙醇蒸氣導出。

(3) 水冷箱體。

水冷箱體與半導體制冷片的低溫端接觸，箱體內的循環水與低溫端換熱，降低循環水的溫度。根據半導體制冷片的尺寸，設計了如圖5c所示的水冷箱體，其外形尺寸為40 × 40 × 12 mm，箱體內設蛇形流場，強化換熱。箱體上端開口，分別將循環水導入和導出箱體。

(4) 核心部件裝配設計。

利用螺栓、螺母和固定塊將蒸發箱體、半導體制冷片、水冷箱體緊固為一體(命名為核心部件)，各個部件之間均采用導熱硅脂進行填補，減小接觸熱阻。整體核心部件裝配設計圖如圖5d所示，實物圖如圖5e所示。

(5) 整體實驗裝置。

除了核心的半導體制冷模塊、蒸發箱體、水冷箱體之外，實際蒸餾實驗裝置還包括測溫模塊、電源模塊、儲液槽、冷凝管、循環水泵、蒸餾液收集槽。其中測溫模塊用于測試工作過程中半導體制冷片高、低溫端，循環水，蒸氣出氣口，儲液槽中待蒸餾液體以及收集槽中蒸餾回收液等各點的溫度。電源模塊給半導體制冷片和循環水泵提供動力。儲液槽用于放置待蒸餾液體，其通過U型管與蒸發箱體連接，將待蒸餾液體持續導入蒸發箱體中。乙醇蒸氣與循環水冷在冷凝管換熱，實現蒸氣的液化。循環水泵用于給水冷提供循環動力。蒸餾液收集槽用于收集乙醇餾分。

4.2.4 實驗方案

對設計的新型蒸餾裝置和傳統蒸餾裝置的啟動時間、收集液溫度、蒸餾速率、啟動能耗、單位質量能耗、能效比等性能參數進行了對比。在這些參數中，啟動時間和蒸餾速率主要反映了裝置的響應速度，收集液溫度則反映了收集槽中乙醇的二次揮發量，啟動能耗、單位質量能耗、能效比用于衡量蒸餾裝置的能源有效利用程度。最后保證新型蒸餾裝置的長期可靠性，我們記錄了制冷片兩側的溫度。最終考查出水泵和制冷片的電壓的最優值。

按照圖6所示的作品實物圖，將各個部件組裝完成。在制冷片冷熱兩端、冷凝管乙醇相進口、收集槽、冷凝管水相進出口、水冷箱體進出口放置熱電偶，利用希瑪AS887型溫度測量儀測試各點溫度。蒸發箱體出口放置溫度計測試乙醇蒸氣的溫度。記錄電源開啟后到乙醇開始產出時的時間以及工作0.5 h后乙醇的產量。

圖6 作品實物圖

4.2.5 結果分析

本項目圍繞“節能減排、綠色能源”的競賽主題，設計了新型的蒸餾裝置，并對該裝置的蒸餾效率進行了測試。

由表1數據可以看出，我們設計的新型蒸餾裝置在熱性能和綜合性能方面都比傳統蒸餾裝置有了較大的提升。

表1 傳統蒸餾裝置與本作品的性能對比

(1) 熱性能：根據實驗，本作品的高效蒸餾裝置在蒸餾乙醇過程中，單片制冷片最高功率為22.88 W，平均產率為130.38 g·h-1。而傳統蒸餾設備的實驗結果表明，其平均產率為31.04 g·h-1。本作品較傳統蒸餾設備蒸餾產能提升420%。

(2) 綜合性能分析：將本作品的高效蒸餾裝置應用于乙醇的蒸餾過程中。該設備采用電壓為9.8 V、電流為9.34 A的電源并聯驅動四片制冷片，使用電壓為14 V、電流為0.5 A的電源驅動循環水泵。設備啟動時間約為6 min，啟動能耗為35.47 kJ，設備能耗為2.72 kJ·g-1，而傳統蒸餾裝置用500 W水浴加熱，啟動時間約為25 min，啟動能耗為750 kJ，設備能耗為6.96 kJ·g-1。實驗結果表明，本作品設計的基于帕爾帖效應的可實現加熱與冷卻倍增協同的高能效蒸餾裝置，其蒸餾能耗僅為傳統蒸餾裝置的39%，節能效果突出。

4.3 競賽答辯

2020年由于新冠疫情的影響，響應國家號召，“賽迪環保杯”第十三屆全國大學生節能減排社會實踐與科技競賽于2020年8月28日舉行決賽的線上答辯。我們小組為了能夠更好地展示作品的優勢和特色，在答辯之前我們進行了充分的準備。

參加決賽，需要在限定的時間內，將作品通過PPT簡明扼要地展示給專家評委，優秀的PPT就成為答辯成功的第一步。因此，我們和指導教師一起對PPT的每個細節都進行了多次討論與修改，包括PPT大綱構思、文字、圖表和視頻等都進行了仔細推敲。最終確定的PPT具備了主題鮮明、風格簡明、重點突出的特點，可以很好地抓住評委老師的眼球。有了好的PPT做基礎，也需要優秀的PPT演講才能達到良好的效果。為此，在答辯前，我們對答辯人員進行了優選，并進行了多次模擬練習。首先，我們選擇了具有良好演講口才的王杰董同學來進行PPT演講。為了在限定時間內，重點突出、簡明扼要地完成PPT演講，我們將演講過程中要說的每一句話都書寫下來，并仔細推敲，哪句話不合適，立即修改。我們還邀請指導教師以及教師課題組的研究生做我們的觀眾，對他們進行了多次演講，演講結束之后，他們也給我們提了很多有益的修改意見。通過多次練習，我們PPT演講流暢、重點突出，并且時間嚴格控制在9分30秒左右，達到競賽要求的10分鐘之內。另外，我們還對專家評委可能提出的問題進行了預先設計，模擬回答問題過程。

2020年的節能減排競賽因為疫情的原因，競賽委員會最終確定使用騰訊會議軟件進行線上答辯。在答辯前，我們也對答辯設備(包括電腦、兩個攝像頭機位)進行了仔細調試，確保答辯當天設備的正常使用。另外，因為線上答辯，無法將實際作品送到現場給評委老師觀看，我們把作品擺放在演講者的身后，作演講的背景。這樣，在答辯過程中，評委老師如果想要觀看實際作品，我們就可以很好地展示給他們。

在最終的答辯過程中，我們從背景意義、工作原理、設計方案以及結果與討論等幾個方面詳細地向評委老師闡述了整個作品的創新性、科學性和節能性。得益于賽前的充分準備，我們準確地回答了評委老師提出的各個問題。

4.4 比賽結果

2020年8月30日上午8點，懷著激動的心情，我們幾個留校參加線上答辯的組員早早地坐在了電腦前，等待線上的頒獎儀式。看著各個獲獎小組代表走上領獎臺，看著一頁頁的獲獎名單變換，我們幾個也緊張得冒汗。直到最后，我們團隊的項目“一種可實現加熱與冷卻倍增協調的高能效蒸餾裝置”出現在了一等獎的獲獎名單上，我們都激動地流下了幸福的淚水。

5 感悟

這次節能減排競賽的作品是我們小組成員大學期間學習的各項技能的結晶，從能量的轉化到物質的流動，再從電路的設計到各項尺寸的配比計算，期間的每一步都是以堅實的課堂理論知識和在實驗室不斷積累的實踐能力為基礎逐步完成的。

在項目定題的初期，我們曾有過不切實際的天馬行空，也有過超出團隊能力的奇思異想。那些超出認知能力的想法雖好，但并不是現在的我們能夠實現的。我們及時發現了問題，決定沉下心來，成員們開始利用現有資源查閱大量的文獻資料，同時團隊成員與指導教師定期開會，匯報各自閱讀文獻后得到的靈感，然后大家一起討論想法的可行性。最終，在大家的不懈努力下，將重點放在了已經熟悉的半導體制冷片和蒸餾裝置的耦合上，并且確定將“一種可實現加熱與冷卻倍增協調的高能效蒸餾裝置”作為作品的主題。在確定選題的過程中，我們查閱了大量的科技文獻。這些文獻的知識大多超出了我們課本的學習內容，通過閱讀這些文獻，我們的自主學習能力得到了很大程度的提升；另外，這些知識也擴寬了我們的科學視野。通過查新，也使我們能夠緊跟科學前沿、避免閉門造車。這個過程培養了我們的創新思維意識和能力。

在項目的實施過程中，同樣遇到了許多問題。因為疫情的原因，2020年春季學期的前幾個月我們都在家中，無法到實驗室實地開展實驗。后來，我們決定在每晚的六點半到十一點半采用騰訊會議的方式進行討論，大家還利用手中現有的資料和軟件對數據進行模擬計算，發現其中的不足，并及時與指導教師進行溝通與交流。雖然進度不是特別如意，但大家的思想激烈碰撞，每隔一段時間都會有新的優化方案提出，這為5月份到校繼續開展作品的制作和方案的優化提供了堅實的基礎。5月份開學之后，我們充分利用課余時間，到實驗室進行實物作品的制作與優化。在實驗實施過程中，從各個部件的設計制作，到裝置的組合，到實驗數據的采集，我們都親力親為，這個過程鍛煉了我們的動手實踐能力。在項目方案的實施和優化過程中，我們所遇到的問題都沒有相應的教科書教我們如何去解決，我們只能堅持不斷摸索，探索新的解決問題的思路，這進一步培養了我們的創新思維能力。另外，我們的實驗也會經常出現一些問題，每當遇到實驗不順的時候，我們都會堅持不懈，努力從失敗的經驗中總結教訓，迎難而上。這個過程也培養了我們戰勝困難的勇氣，堅持不懈的毅力，嚴謹認真的科研態度和不怕吃苦的奉獻精神。小組成員守望相助，最終我們一起突破艱難險阻，走到了決賽的領獎臺。大家的團隊協作能力也得到了極大的提升。

在申報書的撰寫過程中，也遇到了一些問題，還記得我們第一版的申報書是那樣的粗糙。在申報書撰寫過程中，指導教師給了我們極大的幫助，兩位指導教師教會我們每一部分應該突出什么重點。比如研制背景和意義，應該重點闡述我們作品的創新性、實用性和價值性；工作原理部分要清晰明了地講清楚我們的設計思路和原理；結論部分要做到突出作品成果的節能性、創新性、應用性和經濟性；另外，申報書的字體、段落以及參考文獻的格式都要嚴格按照相關標準格式進行。通過作品申報書的撰寫，我們的論文撰寫能力也得到了極大的提升。我們真正明白了什么是科技論文的科學性、邏輯性和規范性。

通過參加節能減排競賽，我們將課堂上學習到的理論知識真正地應用到實踐中。我們的科研能力、創新思維能力、實踐操作能力、科研報告的撰寫能力以及團隊協作能力都得到了有效的提升。另外，我們還體會到任何一件事情的成功都不是偶然的，都是要經過艱苦卓絕的奮斗過程的。這些寶貴的經驗和能力必將使我們受益終身。

6 結語

綜上所述，通過參加全國大學生節能減排社會實踐與科技競賽，我們的創新思維和實踐能力都得到了有效提升。堅實的課堂理論知識為我們解決實際問題提供理論基礎；積極查閱文獻有效拓寬了我們的科學視野；實驗室工作經歷培養了我們嚴謹的科學態度并提高了我們的實踐動手能力；撰寫各類申報材料提高了我們的文字撰寫能力，教會我們如何將自己想要表達的想法簡明扼要地書寫成文；參加答辯過程提高了我們的演講能力，教會我們如何簡明準確地向其他人展示自己的想法。通過參加節能減排競賽，我們獲益良多。在此，也感謝全國大學生節能減排社會實踐與科技競賽組委會為我們提供了這么大的舞臺。