工程案例在专业学位研究生工程热力学课程教学中的应用

2023-01-23张芳芳金听祥李国培

河南化工 2022年12期

张芳芳，金听祥，张波，李国培

(郑州轻工业大学能源与动力工程学院，河南郑州 450001)

能源动力专业学位教育旨在培养本领域的高级工程师，着重培养学生解决工程技术问题的实践能力和创新能力。在国家“碳中和”及建设生态文明社会的政策下，能源动力专业研究生实践创新能力培养更是至关重要。工程热力学是能源动力专业学位研究生培养过程中的核心课程，旨在培养学生解决能源转换及节能方面工程问题的能力，因此，通过工程案例教学，将理论知识融入工程实践中，打造新形式下个性化、多样化的课程教学模式，提高学生的工程实践及创新精神，具有重要的意义。

1 工程案例的选择

能源梯级利用是指对能源在运动中所产生的能量逐级地加以合理利用，提高整个系统的能源利用效率，是节能的重要措施。分布式能源系统是一种建立在“能源的梯级利用”的基础上，直接面向用户并按用户需求将发电、制冷和供热一体化的多联供系统。分布式能源以“能源梯级利用”为核心，将发电设备与余热利用设备灵活组合，通过余热设备回收发电后的高温烟气或热水余热制取蒸汽、冷温水等中低品位能源，能源系统的综合能源利用率相对较高，整体效率可达80%～90%。分布式能源系统复杂，涉及燃气轮机、斯特林发动机、吸收式热泵等诸多设备，运行过程涉及燃气轮机热力循环、制冷循环、热泵循环、低品位热能利用等诸多热力过程。而工程热力学课程的核心内容是揭示热功转换等热力过程，涉及制冷、热泵、热力等循环及汽轮机等设备，提出评价热力系统的热力性能指标。

本案例选择以“能源梯级利用”为核心的分布式能源系统作为典型案例，将该系统涉及的诸多热力过程和设备进行分析整合，设计基于能源梯级利用-分布式能源的热力学案例，并用于能源动力专业学位研究生的培养过程中，为研究生工程热力学课程及相关课程的实施和人才培养质量的提高提供具体实践探索模式，促进案例教学项目的广泛实际应用。能源梯级利用-分布式能源作为教学案例，将极大地促进研究生建立能源环境—效率—工质—过程—系统相互关系一体的观念，建立提高能源转换效率的思维模式和创新意识。

2 工程案例的内容

案例专业负责人及相关企业人员共同参与，搭建基于能源梯级利用-分布式能源的热力学案例合理的内容框架。保证教学案例的顺利实施和学习效果。

教学案例的主要内容：①全球能源开发利用现状及发展趋势分析。特别是新能源的开发利用以及新冠疫情和极端气候天气对能源行业带来的冲击和机遇，着重分析能源政策、创新技术和国际合作对全球能源体系起到的积极作用，明确传统的集中式大电网供电模式的技术特点及应用举例；阐明目前广泛使用的以“大机组、大电网、超高压”为特点的集中式供电模式的优势和不足之处，引出分布式能源系统 DES 的定义及意义。②以天然气为基本能源的 DES 系统介绍。对能量梯级利用的冷热电三联产技术的典型流程如燃气轮机-余热吸收式、斯特林发动机-余热吸收式、燃料电池-燃气轮机-余热吸收式等，以及常用的设备如燃气轮机、余热回收装置等分析讲解。③以典型设备的性能参数和正常工况为基础对冷热电三联产技术模型进行能量分析和火用分析。④从热力学和经济性的角度阐述，包括热力系统、热力学定律、气体性质、热力循环、热经济学思想等知识的应用及其相互关联耦合分析。⑤DES 应用领域及典型案例分析与实践。如清华大学超低能耗示范楼、北京蟹岛园区燃气冷热电三联供能源站工程、广州大学城分布式能源站等。⑥DES 发展前景、存在问题和中国国家政策导向。

基于DES的教学案例内容丰富多样，能够进一步完善DES各关联核心课程的教学内容，又能够激发学生的兴趣和积极性，培养学生综合运用所学知识发现分析解决复杂工程问题的能力，做到实践和理论相统一；通过对比世界各国先进DES技术发展最新前沿动态，从技术上找差距，引导学生开拓国际视野，增强社会责任感和民族自豪感；通过充分了解DES产业的发展前景和人才需求，学生能够进一步确定将来的研究方向和职业发展规划。

3 教学案例的达成目标

知识目标包括掌握分布式能源系统适用的设备与系统及其传热传质热力过程，能够针对具体系统建立模型，揭示能量传递的内在规律，提出评价系统的性能指标，指明能力利用的优化方向。

能力目标包括运用知识的能力，从应用的角度选择能源转换最合适的循环方式，能够运用工程热力学知识解决能源转换的工程问题；分析、解决和研究问题的能力，掌握最基本的能源转换系统的设计理念，针对具体问题提出有效的解决方案，提高开发新型循环方式与系统的能力。

素质目标包括建立能源环境—效率—工质—过程—系统相互关系一体的观念，通过课程中的分析讨论辩论翻转培养沟通交流素质，建立提高能源转换效率的思维模式和创新意识，提升合理用能和理解能源管理与能源经济决策的基本素质。

4 工程案例教学的实施过程

①研究生已具备工程热力学相关知识的基础上，查阅国内外文献，了解全球能源开发利用现状及发展趋势分析，特别是新能源的开发利用，着重分析能源政策、创新技术和国际合作对全球能源体系起到的积极作用，明确传统的集中式大电网供电模式的技术特点及应用举例，应阐明目前广泛使用的以“大机组、大电网、超高压”为特点的集中式供电模式的优势和不足之处，从而引出分布式能源系统 DES 的定义及意义。②通过课堂授课形式讲解以天然气为基本能源的DES系统，对能量的梯级利用的冷热电三联产技术的典型流程如燃气轮机-余热吸收式、斯特林发动机-余热吸收式、燃料电池-燃气轮机-余热吸收式等，以及常用的设备如燃气轮机、余热回收装置等分析讲解，对以典型设备的性能参数和正常工况为基础对冷热电三联产技术模型进行能量分析和火用分析，从热力学和经济性的角度阐述，包括热力系统、热力学定律、气体性质、热力循环、热经济学思想等知识的应用及其相互关联耦合分析。③对DES应用领域及典型案例的分析，针对企业投入生产或者公司投入运营的真实工程项目进行实地考察，着重分析如何根据当地能源利用情况，选择合适的分布式能源系统及其技术和设备，实现对能量的梯级利用，在带来经济效益的同时更具生态效益。在此过程中，试行融合案例教学创新教育模式，形成完善的案例教学创新教育模式。案例实施还将建设DES案例教学素材库；形成DES技术发展调研报告和关于DES工程实际应用具体展示。