工程热力学在过程装备与控制工程专业中的教学方法探究

陈丽文，刘建旺，张冲冲

(华北理工大学 机械工程学院， 河北 唐山 063210)

工程热力学在过程装备与控制工程专业中的教学方法探究

陈丽文，刘建旺，张冲冲

(华北理工大学 机械工程学院， 河北 唐山 063210)

工程热力学；过程装备与控制工程；教学方法

以热力过程为研究对象的工程热力学是过程装备与控制工程专业的重要基础课程，在生产实习和工作中的作用日益凸显。这门课内容抽象、公式繁多且互有联系，学习的难度较大。通过积累的教学经验，结合过程装备与控制工程专业要求对热力学课程内容进行分析，提出了在教学中存在的问题，并总结了一些教学方法与教学手段，这些有助于提高教学效果。

过程装备与控制工程专业( 文中均简称“过控专业”)隶属于工学机械大类，同时服务于过程工业，专业研究的对象属“流程性材料产品”，包含气、液、粉体等形态为主的流程性材料产品的先进制造和处理技术，在生产过程中包括流动过程、传质过程、热力过程、反应过程、机械过程等[1]。这些过程需要由为数众多设备单元构成，这些设备单元按工程实际需要连在一起实现顺利工作就构成了过程装备，过程装备的提升已经列入国家规划，在科技和经济发展中占有举足轻重的地位。

工程热力学是研究能量转换和传递的一门课程，即功——热之间转换的宏观过程分析和效率分析，从而启发如何提高能源有效利用。在过程工业中经常伴随较多的物理和化学过程，这些过程均涉及能量的转换和传递问题，而以热力过程为研究对象的工程热力学是解决这一问题基本途径[2]。而工程热力学由于概念抽象、内容多而繁杂、公式多而互相联系紧密，造成了老师难教、学生学习的难度较大等问题，就如何改进工程热力学的教学质量，教师需结合专业实际和学生接受能力进行思考。基于这些年的工程热力学教改实践和我校专业实际办学特点，本文从工程热力学课程内容出发，分析工程热力学课程在过控专业教学中存在的问题，探讨如何提高工程热力学的教学手段和教学方法以适应学生的学习。

一、工程热力学的课程内容

工程热力学的实质内容可以归纳为一个基本点，两条主线，三组参数，四个条件，五个理想过程。过程设备中热功转换的方式及其效率是最核心的基本点，在分析时以热力学第一定律和第二定律作为基本主线，基于状态参数和过程参数计算热功转换效率，在实际计算和设计中需贴近理想过程然后加权。围绕这五个方面课程中有较多的基本概念和定律，而且这些概念和定律相互之间关联性较多，致使学生理解和掌握比较困难。如效率的计算有三个公式，分别应用于热机、制冷和热泵。第一类永动机和第二类永动机既有区别又有联系，热力学第一定律中体积功、技术功、流动功、推动功等概念的准确把握，以及稳定流动开口方程的应用，热力学第二定律中克劳修斯积分不等式、熵方程、孤立系统熵增原理、火用方程的应用。在计算时紧密结合闭口及开口系统方程，将三组参数代入，同时涉及比热容和熵的定义和计算公式，每个公式都有对应的使用条件，这就增加了学生的学习难度。设备连续工作时需要有四个条件：热源(冷源)、工质、膨胀(压缩)做功、循环，对热源(冷源)的选择涉及能源的有效利用和环境保护，工质的选定还需考虑本身的物理性质和化学性质以及在工作时的安全性。在设计和校核中需简化热力过程，定压过程、定容过程、定温过程、定熵过程以及理想多变过程。所有这些内容既有联系又有区别，需要整体理解和把握。

二、工程热力学在过控专业教学中存在的问题

过程装备与控制工程专业的教学计划在我校分为四个层次：通识课、专业基础必修课、专业技术必修课和专业知识选修课。在专业基础必修课中，工程热力学是过控专业不可或缺的基础课，它上承高等数学、大学物理，下接过程设备设计和流体机械。同时服务于过程设备的工作原理，如锅炉、换热器、泵、风机、喷管、压缩机、内燃机和汽轮机等设备，工程热力学可以通过研究设备中工质的状态变化实现功和能的转换，从而获得提高功能转化效率的途径。经过查阅较多文献和相关高校调研，目前工程热力学教学方法和教学手段的探讨和改革大部分体现在热能与动力工程、建筑环境与设备工程等专业上。虽然这些教学方法大部分可以借鉴到过控专业工程热力学的教学实践中，但由于专业侧重点不同，还得在过控专业教学中体现课程改革的特点。结合参考文献、实地调研以及我校的实际教学情况，工程热力学在过控专业教学中存在以下几方面的问题。

1.我校过控专业偏重于机械。由于专业办学时间较短，办学初期借助于机械专业的底蕴，目前在制定教学计划和在学生培养过程当中还是偏向于机械装备和控制方面，在能源有效利用和转换方面有一定的滞后。

2.没有形成以工程热力学作为专业的承接，贯穿于过程设备的效率提升。工程热力学作为过控专业仅有的能源利用与转换的专业基础必修课，有助于学生对上述过程装备工作原理的理解，有利于设备设计时对思路的把握。

3.实验室成品设备较少，设备的剖面分析和拆装较难实现，致使学生很难理解工质的相变和实际运行路线，从而导致对设备的运行和能量的转换缺乏足够的认识。

三、工程热力学在过控专业教学方法的探究

(一)教材的选定和编排

工程热力学是研究热能和机械能相互转换规律及热能有效利用的科学，其核心内容是研究如何提高能源转换的效率。通过对国内外教材的对比分析得出，美国教材内容丰富，排版直观，实例全面；德国教材内容厚重，逻辑严密，思维深刻。它们的共同点是教材更新较快，结合社会发展紧密，以教材和课堂教学为载体，注重培养学生实际动手能力和提高分析解决问题思路的能力[3-4]。国内教材在培养学生分析解决问题思路上与美德相当，但是相对于实际设备发展滞后，开设的实验以演示性居多。就过程装备与控制工程专业而言，教材的选定应结合锅炉、压缩机、内燃机和汽轮机等过程设备的应用作为主线，在能源的二次利用、实际工程案例等方面结合社会发展。另外由于我校过控专业没有开设传热学课程，所以在选定教材后，再添加一部分传热学知识，用于换热器、反应釜、反应塔、反应罐等设备的设计与应用。这样就形成了以工程热力学作为专业的承接，贯穿于对过程设备的理解和应用。

(二)细化绪论的内容

绪论讲解的效果直接关系到是否能激发学生对工程的学习兴趣和对整个课程的理解。以生活中实例作为引子，与学生的互动，高压锅在高温高压的工况下工作，以略低于人体温度的毛巾来降温，冰箱能制冷在表象上是后面的散热器把热量提出来，冬天进入室内眼镜片结雾是由于空气中水蒸气凝结而成，让同学们发现生活中很多现象是与热息息相关，引起对热力学的学习兴趣。以国家政策为导向，以节约能源作为切入点进行讲解，将一些大型热工设备的实体图片、工作流程图通过多媒体显示，其热力过程用动画来演示。如风洞中关键装备拉瓦尔喷管，火电厂主要设备锅炉、汽轮机，汽车或小型发电设备中的核心机构内燃机，空调中的压缩机、换热器等，结合这些实际工程设备的工作原理引出课程的主要内容，热功转换及如何提高效率，从而达到节能的目的，进而使学生对课程的构架有明确的认识。

(三)关键知识点的讲解

这些知识点包括图的画法及每条线代表的过程，计算时参数的灵活应用，工程中设计的可行性，过程的简化及设备的效率提升。在分析锅炉加热过程中，以水为工质进行作图分析，主要包括三种图示，压容图(p-v)、温熵图(t-s)、焓熵图(h-s)。以温熵图为例，核心问题是定压加热，在湿蒸汽区既是定压又是定温，同时需深刻理解不同压力对应的饱和温度以及一点、两线、三区、五态，把温熵图作为重点讲解上述问题，并计算相应的吸热量。在喷淋加湿的过程中以焓湿图(h-d)为例，把露点、湿球温度、干球温度画出，再定性画出加湿过程，核心问题是可以简化为定焓过程。计算设备效率是主要是计算功和热，基本的依据是热力学第一定律的开口稳定流动能量方程和闭口能量方程，其中热量可以根据熵的定义式和比热容的定义式求出，熵有三种算法，比热容可以查表计算得到。体积功和技术功在可逆时分别可以按公式计算，而焓差和热力学能差的差值是流动功。通过把这些方程式的总结和分析，就能很好的解决课程中公式较多、难于理解的问题。基于实际工程上常用的压力表和温度表，最后归根结底是在三个基本状态参数基础上来计算功和热。工程中设计的可行性计算以判断过程能否进行为例，基于热力学第一定律和热力学第二定律，首先能量守恒，其次过程朝着熵增大的方向进行，可用克劳修斯积分式、熵方程以及火用方程来定量计算。特别值得注意的是灵活应用孤立系统熵增原理，可以较方便的判别过程的可行性。工程中常见的热力过程是定压吸热(放热)过程和定熵作功过程，所以这两个过程是简化的方向。设备的效率提升以电厂循环和冷库循环为例，电厂循环中再热和抽汽回热是提升效率的有效方式，要区分开水蒸汽的量变与否，再热压力的大小，吸热量与质量有关。以氨为制冷剂的冷库循环中过冷措施是提高吸热量的有效方法，从而提升制冷效率。关键知识点的讲解有利于学生对概念和公式的理解，有助于在设计时方法的灵活应用。

(四)增加实践学时，理解工质的相变和实际运行路线

我校过控专业方向偏重于机械类，该课程教学大纲制定上没有安排基础实验学时和情景教学。但是从这些年的教学效果来看，增加基础演示实验和情景教学很有必要。活塞式压缩机、汽轮机的剖面模型可以清晰的显示工质的流动、压缩、膨胀的过程；活塞式压气机性能实验可以通过测量活塞式压气机的示功图和功耗，计算活塞式压气机的指示功、指示功率和过程指数等，验证压气机排气压力对性能参数的影响；换热器性能实验通过测量换热器的传热系数和换热器冷热介质的流动压力，来理解传热过程中传热系数的基本计算方法和换热器的传热特性；制冷循环和蒸汽动力循环可以结合建工学院和冶金学院的实验设备来完成。情景教学就近在锅炉厂和开滦集团来完成锅炉运行和蒸汽机车运行的讲解。同时在讲解及实验的设计中要突出“热力过程运行和工质流动”的专业特点。只有对设备有充分的认知，理解工质的相变和实际运行路线，才能对设备的运行和能量的转换有充分认识。

四、结语

以工程热力学作为过程装备与控制工程专业的承接纽带，有助于过程设备的效率提升，在整个课程体系中具有重要的地位。在教学中注重知识的日常生活及工程应用，培养学生的设备设计和过程分析能力，提高学生对工程设计和应用的兴趣。教学中有意识的构建实践情景，突出“热力过程运行和工质流动”的专业特点，提高过控专业的教学质量。

[1]王毅, 张早校. 过程装备控制技术及应用[M].北京:化学工业出版社, 2010.5.

[2]沈维道, 童钧耕. 工程热力学(第4版) [M].北京:高等教育出版社,2007.6.

[3]Michael J. Moran, Howard N. Shapiro, Daisie D. Boettner, Margaret B. Bailey. Fundamentals of Engineering Thermodynamics (7rd ed.), John Wiley &Sons, New York, 2010.

[4]Günter Cerbe, Gernot Wilhelms. Technische Thermodynamik: Theoretische Grundlagen und praktische Anwendungen, Hanser Verlag, Muenchen,2010.

Study on Teaching Methods of Engineering Thermodynamics in Major of Process Equipment and Control Engineering

CHEN Li-wen, LIU Jian-wang, ZHANG Chong-chong

(College of Mechanical Engineering, North China University of Science and Technology, Tangshan Hebei 063210, China)

engineering thermodynamics; process equipment and control engineering; teaching method

Engineering thermodynamics based on thermodynamic process is an important basic course of process equipment and control engineering. Which play the increasingly prominent role in production practice and work . Learning the course is more difficult not only the content abstract and the formula is numerous and mutually relates. Through the accumulation of teaching experience analysis thermodynamic course content combining the process equipment and control engineering professional requirements. Problems in teaching were proposed, and summed up a number of teaching methods and teaching methods. These help to improve teaching effectiveness.

2095-2708(2017)02-0098-04

2016-12-09

2016-12-27

华北理工大学教学改革项目(Y1553-15)。

陈丽文(1978-)，男，山西原平人，讲师，硕士研究生，研究方向：新能源利用技术。

G521

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