“锅炉原理”课程实验教学平台建设与应用

2021-01-20张伟王建友于云祖刘创李斌

教育教学论坛 2021年48期

张伟王建友于云祖刘创李斌

[摘要] 基于“锅炉原理”课程实验教学需求，搭建了由燃气灶具本体、燃气供应系统和数据采集系统组成的燃气灶具性能测试实验平台。平台除用于“锅炉原理”课程的基本教学实验外，还可用于研究锅架高度、锅体结构、挡风聚能罩、火孔结构等对燃气灶具热效率、CO排放等的影响规律，实现了科学研究和教学实验的紧密结合。学生通过自主设计实验方案，完成创新性和综合性实验项目，训练了工程实践能力和探索求真精神，平台在培养能动专业复合型人才中发挥了积极作用。

[关键词] 实验教学平台;燃气灶具;提效措施;实践能力

[基金项目] 2020年度中国石油大学（华东）校级教改项目“‘热工实验’教材建设”（KC-202031）;2020年度山东省专业学位研究生教学案例库建设项目“‘高等工程热力学’教学案例库建设”（SDYAL20038）

[作者简介] 张伟（1978—），男，黑龙江龙江人，博士，中国石油大学（华东）新能源学院副教授，主要从事锅炉节能减排技术研究。

[中图分类号] TK175;TE81 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2021）52-0133-04 [收稿日期] 2021-04-15

一、引言

能源是指能够提供能量的资源，是人类生产生活的物质基础。在当今快速发展的时代，能源消费与GDP增长高度相关，可以说能源是支撑经济发展的动力中枢[1]。正因为如此，与能源相关的学科专业受到了前所未有的关注，对能源相关专业人才的需求也达到了新的高度[2]。能源与动力工程专业属能源动力类专业，以培养掌握能源转化与利用的基本理论和基本技能的工程技术人才为目标。显而易见，能动专业的毕业生是落实国家“节能优先、绿色低碳、立足国内、创新驱动”四大能源战略[3]的中坚力量。

我国于2016年6月被国际工程联盟批准为《华盛顿协议》第18个成员，标志着工程教育人才培养得到了其他成员“实质等效”认可[4]。

当今世界正进行新一轮科技革命和产业变革，我国经济发展面临重大机遇和严峻挑战[5]。为适应以新技术、新产品、新业态和新模式为特点的新经济，迫切需要深化高等工程教育改革[6]。为此，教育部于2017年6月发布了《新工科研究与实践项目指南》，标志着新工科建设正式进入探索阶段。指南中明确提出，要推进基于成果导向的工科学生工程实践能力培养[7]。

综上所述，培养学生实践能力已然成为当下高等教育的紧迫任务。相对于理论教学，实验教学具有直观性、实践性、综合性、创新性的特点[8]，在培养学生实践创新能力方面发挥着举足轻重的作用[9]。锅炉是最重要的能源转换设备，我国75%以上的煤炭由锅炉通过燃烧过程转换成热能并加以利用[ 10 ]，可以说“锅炉原理”和“工程燃烧学”两门课程是能动专业最重要的专业核心课程，对培养专业创新性人才发挥不可替代的作用。然而，由于条件有限多年来我校本科生一直未能开设与锅炉相关的实验课程，本次借助学校优化学科布局[ 11 ]的机会，建设实验教学平台，提升学生的培养质量，以便更好地服务于国家能源战略。

二、“锅炉原理”课程实验教学平台建设

在建设实验平台时，重点考虑了以下三个问题。首先，从平台功能上看，除了能完成烟气成分测试及热平衡（或热效率）分析两个基本实验外，尽量有更多的扩展功能;其次，从服务对象上看，平台除了能满足本科及部分研究生教学应用外，最好能兼顾自主创新和科学研究;最后，从投资角度看，平台需满足占用场地小、危险性低、投资少的要求。由此看来，购置小型整装工业锅炉实验平台本体并不合适，因为投资高、危险性大（锅炉属于压力容器）、占用场地多、可调节功能少等。所以，以燃气灶、锅具为主体，搭建实验教学平台更為可行。因为该平台除具备整装工业锅炉平台的所有功能（燃烧及传热测试）外，还具有容易扩展、便于观察、贴近生活等特点，这些功能和特点有助于提升学生学习和研究兴趣。

实验教学装置如图1所示，该装置由燃气灶具本体、燃气供应系统、数据采集系统构成。燃气灶具本体包括商用燃气灶、尖底锅具、搅拌器等，其中燃气灶选用液化气类型，以方便搭配罐装液化气，避免铺设燃气管线。燃气供应系统由燃气罐、减压阀、压力表、输气管等构成。数据采集系统是实验平台的核心，通过数据的收集、处理和分析，全面准确地评价燃气灶具的性能，满足教学实验和创新研究要求;数据采集系统包括Scion气相色谱仪、气体流量表、Mru烟气分析仪、Testo红外热像仪、S型热电偶、Agilent数据采集仪等构成;燃气组分由色谱仪分析以计算燃气热值，烟气分析仪测定烟气成分以评价燃气灶燃烧状况，热电偶测试温度分布以评价灶具传热状况，红外热像仪拍摄整体热场辅助分析燃气灶具性能。为了确保安全，实验室安装有燃气泄漏报警器，防止燃气罐泄漏爆炸事故发生。

三、燃气灶具热效率及CO排放实验方法

燃气灶具的性能包括热效率、燃烧效率等热工性能以及CO、NOx等排放性能，其中热效率和CO排放是衡量燃气灶具最主要的两个性能指标[ 12 ]。影响两者的因素很多，如燃气灶眼孔径、孔数、倾斜角，以及锅具形状、大小等。作为案例，按照下面的方法，可完成锅架高度影响燃气灶具性能的实验。

基于实验教学平台进行实验时，遵循的步骤为：（1）实验准备，检查燃气泄漏报警器及实验系统各设备是否工作正常，开启实验室通风换气系统，锅具加装一定量的冷水，燃气采样并进行成分测定等;（2）实验启动，燃气灶点火，调节火量旋钮、一次风门挡板、锅架高度等参量，满足实验预定条件;（3）实验测试，将锅具放在锅架上并开始计时，监测水的升温过程，至水升温到设定温度时停止计时。在此期间，进行火焰温度测试、烟气成分测定（测点满足《家用燃气灶具》GB 16410-2007要求）、热场红外拍摄，记录水的温升、加热时间、燃气流量等;（4）实验结束，所有实验工况完成后，关闭储气罐及燃气灶，清空锅具内的水，关闭实验系统其他设备，关闭实验室通风换气系统。

基于实验测试的水量、水的温升、燃气量、燃气成分、烟气成分等数据，计算了燃气灶具的热效率和CO排放浓度随锅架高度的变化关系，结果如图2、图3所示。

从图2、图3中可以看出，随着锅架高度（火盖上表面与尖锅底之间距离）的增加，热效率和CO排放呈现减小的趋势，变化规律与黄亚继等人与薛治家等人在文献中的表述一致[ 13，14 ]。但相比于上述文献中的数据，本文的CO排放浓度偏高、热效率偏低。可能的原因有：本实验中燃气为液化石油气，相比于天然气难燃烧;锅体为尖底锅，锅底与火焰距离小，影响了燃烧过程;商用燃气灶结构不同，燃烧传热性能有差异。

从节能的角度看，热效率是最受关注的性能指标，为了探讨锅架高度影响热效率的原因，测试了锅壁周围的烟气温度分布（见图4a、图4b）。烟气温度分布图中，横坐标X=0处代表锅具两侧壁面位置，烟气温度以此呈左右大体对称分布;图4中Z代表测点高度，随着Z的增加，烟气将热量传递给锅具而温度降低。图4b相较于图4a，锅架升高了2cm，若以锅具作为参照物，图4b中Z=6.5cm处与图4a中Z=4.5cm处是同一位置，表明锅架升高后，与锅体接触传热的烟气温度低了约150℃。另外，锅架高意味着火焰接触锅壁面积更小。更低的烟气温度、更小的接触面积，导致燃气灶具热效率随锅架升高而降低（见图2）。此外，因锅架升高，火盖与锅底间距拉大，火焰燃烧空间变大，外界大气更容易扩散进入火焰，表现为烟气O2浓度更高，燃烧会更加彻底，因而CO排放浓度降低（见图3）。

本实验装置测得的热效率和CO排放规律与已有文献相同，说明了实验装置的准确性;除此之外，实验装置中的烟温测试和红外成像，丰富了实验结果的探讨。因此，燃气灶具性能测试装置是较好的教学与科研平台。

四、“锅炉原理”课程实验教学平台应用

天然气作为一种清洁能源，对国家的节能减排、低碳发展极为重要，在国家的能源结构中，天然气所占比重逐年增加。2017年生活消费天然气、液化石油气占比分别为17.6%、59.1%。从绝对量上看，2017年生活消费天然气、液化石油气分别为420.3亿立方米、3225万吨，将液化气（热值50179kJ/kg）按热量折算成天然气（热值38931kJ/m3）约为415.7亿立方米，两项以天然气计量达836亿立方米。如此看来，生活消费的天然气量相当惊人，而前面的实验及相关文献表明，当前燃气灶的热效率仅为50%左右，与燃气锅炉热效率90%相比，燃气灶热效率明显偏低、浪费清洁燃料严重[ 12-14 ]。所以，开展燃气灶节能提效研究是一项非常有价值的工作，也是应用锅炉原理知识，解决工程问题的典型研究方向。

基于本实验平台，学生可以开动脑筋、提出增效措施（例如加装挡风节能罩、优选燃气组分等）、设计实验方案，完成自主创新内容的实验，结合采集的各项数据，运用“锅炉原理”课程知识，分析燃气灶具提效的原理。这些工作会极大地培养学生理论联系实际的思维习惯和孜孜以求的科研创新精神。因此，“锅炉原理”课程实验教学平台，在支撑学生申报科研创新项目、参加国家大学生节能减排竞赛等方面有广阔的应用前景。

五、结语

针对“锅炉原理”“工程燃烧学”等课程无教学实验设备，以及民用燃气灶具热效率低、浪费清洁能源天然气的现状，设计搭建了燃气灶具性能测试实验装置，为深化理解锅炉原理知识、探究燃气灶具节能提效措施、实现民用天然气清洁高效利用提供了研究平台。

本文建设的“锅炉原理”课程实验教学装置，系统完备、功能齐全。基于该平台，本科生可进行热平衡测试和烟气成分分析实验，研究生可进行燃烧焓验证实验;此外，学生还可自主设计实验条件，完成综合性和创新性实验。实验平台的建设，体现了科学研究与教学应用相结合的思路，对培养学生的实践创新能力发挥了积极作用。

参考文献

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[2]刘雪玲，汪健生.新工科背景下能源与动力工程专业基础课程改革方法研究[J].大学教育，2020（8）：65-67.

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