李季 郭民臣

[摘 要]工程熱力學是能源與動力工程等專業(yè)的核心基礎課程，課程概念繁多、內容抽象、工程應用廣泛?？梢砸哉n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(guī)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(huán)、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(tǒng)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(zhàn)。華北電力大學工程熱力學課程面向能源與動力工程專業(yè)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(yè)實踐相聯(lián)系，深化學生對基本概念的理解，強化課程的實踐應用，培養(yǎng)學生對專業(yè)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(tǒng)的工作原理、理解火電廠節(jié)能思路非常重要，而且在后續(xù)課程傳熱學、汽輪機原理、熱力發(fā)電廠中該知識點都有體現(xiàn)?；責岣拍畹亩x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?；責岬母拍钤跓崃W第二定律之概括性卡諾循環(huán)的描述中首次出現(xiàn)，概括性卡諾循環(huán)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(huán)內部提供的，并不是從高溫熱源吸收的熱量，因此循環(huán)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(xiàn)，除熱力學第二定律之概括性卡諾循環(huán)外，帶有回熱的壓縮空氣制冷循環(huán)、帶有回熱的燃氣輪機裝置循環(huán)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(huán)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(huán)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(yè)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(tǒng)中冷的工質進行加熱，即“預熱”的概念，目的是提高循環(huán)的經濟性。如汽車冬天開熱風實際上就是利用發(fā)動機散熱所提供的熱量，利用發(fā)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(jié)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(fā)動機循環(huán)、燃氣動力裝置循環(huán)以及大中型蒸汽動力裝置循環(huán)普遍采用回熱系統(tǒng)。

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(yè)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(huán)即為回熱知識點在火電廠中的應用，是典型的專業(yè)實踐教學案例。火電廠熱力系統(tǒng)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(huán)設備圖和T-s圖（以二級抽汽回熱循環(huán)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(xù)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(xù)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(xù)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(tǒng)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(lián)合循環(huán)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(huán)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(yè)中的實踐教學案例也很豐富，如回熱系統(tǒng)中在汽車中的應用，利用發(fā)動機冷卻液加熱冷空氣;在制冷系統(tǒng)中的應用，利用進入節(jié)流閥前的高壓液態(tài)制冷劑加熱從蒸發(fā)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(yè)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(huán)熱效率，基本原理是根據(jù)熱力學第二定律卡諾循環(huán)熱效率基本公式，對于多熱源的可逆循環(huán)，其熱效率公式為：

以帶有回熱的燃氣輪機裝置循環(huán)為例，如圖3中T-s圖所示，不采用回熱時，循環(huán)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(huán)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(huán)的熱效率。對于火電廠抽汽回熱循環(huán)，如圖4中T-s圖所示，不采用回熱時，循環(huán)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(huán)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(huán)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(tǒng)中采用“三高四低一除氧”的回熱方式，參數(shù)較高的抽汽在高壓加熱器加熱高溫給水，參數(shù)較低的抽汽在低溫加熱器加熱低溫給水，即體現(xiàn)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(xiàn)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(huán)、帶有回熱的燃氣輪機裝置循環(huán)、火電廠抽汽回熱循環(huán)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]