现实生活中的例子为核心热力学课程带来了新的能量

传统上,工程专业的学生通过学习图表和解方程来学习燃气轮机的热力学,但今年他们还戴上了安全帽、安全眼镜和耳塞参观了一家为50万家庭发电的工厂。

students in hard hats look at part of a power plant

这座发电厂的热回收蒸汽发生器给学生们留下了深刻的印象:它高130英尺,重800万磅,建在纽约奥尔巴尼附近哈德逊河的一个港口,然后用一艘驳船将其运至下水道工厂。

长期以来,热力学课程一直被视为机械和航空航天工程专业大二学生的必修课,以其严格著称。让它的内容与学生息息相关可能是一个挑战。今年,这门课变成了一门校园实验课,包括实地考察、客座讲座和课程,通过校园和周边环境中的能源技术和政策实例来提高学生的学习。

除了参观位于新泽西州塞瓦伦(Sewaren)的公共服务企业集团(PSEG)发电站外,学生们还与专业工程师一起评估了“粉红之家”(Pink House)的能源效率。客座讲师包括一名帮助设计极端条件下燃气轮机的工程师,以及普林斯顿气候行动计划(Climate Action Plan)的一名贡献者,该计划旨在减少碳排放。

机械与航空航天工程(MAE)讲师Lamyaa El-Gabry说:“过去,我会把所有的理论都呈现出来,然后在最后讨论应用。”但她担心学生们“坐在那里得到一大堆方程式”,等着学习“很酷的东西”。

El-Gabry修订课程与当地关注全球能源问题的维度,构建连接校园内外的帮助下从校园可持续发展经理卡洛琳萨维奇(现在普林斯顿大学实习项目负责人的公民服务速度公民参与中心)和利亚安德森,项目副主任Community-Engaged奖学金。

students in hard hats look at part of a power plant

在热回收蒸汽发生器的气冷式冷凝器内,学生们抬头凝视着错综复杂的管道和一排排巨大的风扇,这些管道和风扇迫使蒸汽凝结成液态水——这一特点消除了用河水冷却电厂的需要。

这门课程的新重点激发了习题作业的灵感,帮助学生将热力学的核心概念与日常生活联系起来——例如校园能源工厂主任泰德·伯勒对校园建筑空调冷却水系统的解释。

El-Gabry说:“这是学生们在数学和物理入门课程之后第一次看到工程学。”“热流体给人的感觉非常概念化和理论化:你看不到热,你看不到空气流动,即使空气在我们周围流动。所以,我想我可以通过重新构思演示来满足解决问题的需要,让它更有趣、更令人兴奋。”

埃尔-加布里还扩大了学生独立研究项目的范围和时间安排。在课程的最后五周,学生们根据自己选择的主题提出并进行实验。项目包括商业和自制的发动机和火箭模型燃料的比较,以及不同种类木材隔热性能的评估——这个主题的灵感来自于班级对粉色房子的能源审计。

埃尔-加布里说:“通过让学生接触足够多的现实世界的问题,我希望他们能看到一个工程问题,并把它分解成他们能用热力学定律解决的问题。”“这是一项非常重要的技能。”

在电厂参观期间,PSEG工程师克里斯蒂安·桑托罗概述了电厂的联合循环系统:天然气为燃气轮机提供动力,热回收蒸汽发生器捕获燃气轮机的废气,驱动汽轮机产生额外的电力。该电站于2018年6月开始运行,是典型的新电站。它的联合循环装置可以使其达到60%的热效率,这意味着60%的热能输入被转换成电能,而仅燃气轮机就有约40%。

热回收蒸汽发生器给学生们留下了深刻的印象:它有130英尺高,800万磅重,建在纽约奥尔巴尼附近的哈德逊河沿岸的一个港口,然后用一艘驳船将其运至下水道工厂。在机组的气冷式冷凝器内,学生们仰望着错综复杂的管道和一排排巨大的风扇,这些管道和风扇迫使蒸汽凝结成液态水——这一特点消除了用河水冷却电厂的需要。

在控制室里,学生们看到了工厂的关键报警屏幕和不断监控和调整涡轮机输出的计算机系统——技术人员告诉学生们,在工厂的前几次改造中,这一切都是手工完成的。在他们访问的11月下午,系统显示该电站正在发电542兆瓦——接近其最大容量。

学生Shannen Prindle被一个即将建成的发电厂的运作吸引住了,他发现控制室特别有趣。普林德尔说,与航空航天工程相比,“实地考察和课程作业介绍了MAE的一个鲜为人知的方面”。

他的同学迈尔斯·辛普金斯补充说,他喜欢这门课“对真实系统的实际分析”,包括喷气发动机和发电厂。他说,这门课“很好地介绍了我将来可能想从事的专业”。

Mike Fox sits at the lunch table with students

迈克·福克斯(右二),太阳能涡轮机传热工程经理,来到普林斯顿大学做客座演讲,并与学生们共进午餐。

在同一周作为发电厂的访问期间,迈克·福克斯太阳能传热工程经理涡轮机(命名的晴朗的天气在圣地亚哥,作为航空公司于1927年成立),来到普林斯顿大学做了一个专题演讲,与学生在午餐。为了支持课程的核心内容,他介绍了燃气轮机的基本动力学,传递了涡轮部件的模型,并分享了他参与的项目的例子——包括使用非常规燃料的特殊设计的涡轮或能抵抗海上的咸水环境。

”,与真正的工程师交流,(学生)注意差异兴趣底线,他们是怎么说的,他们所关心的,他们现在在理论上和图表在商业语言,“El-Gabry说,通用电气(General Electric co .)曾作为一个工程师之前她学术生涯。她说,“有机会与这些工程师互动”是学生学习的一个重要方面。

学生们还与当地家族企业普林斯顿航空公司(Princeton Air)的工程师一起,对Pink House的能源效率进行了审计。Pink House隶属于福布斯学院(Forbes College),是普林斯顿的六所住宿学院之一。该审计包括一个鼓风机门的测试,它使用一个强大的风扇在室内创造一个真空,然后测量从窗户和门漏出的空气,以确定减少建筑物的取暖和制冷能源消耗的方法。

许多学生利用他们的独立项目进一步研究能源效率的实际问题。其中一组建立了一个热风热交换器模型,以测试一种通过捕获热量来提高加热效率的方法,否则热量就会被浪费——例如,从干衣机排出的废气。另一组设计了一种装置来测量不同种类木材的隔热性能。在他们的设置中,杉木比杉木或压力处理过的松树释放的热量少,而后者通常用于建筑框架。

Assistant instructor speaks with students in the power plant parking lot

讲师Lamyaa El-Gabry(中)在参观完位于新泽西州下水道的PSEG发电厂后,与学生和助手Claudia Brunner(左)交谈。背景中可以看到一座退役发电厂的烟囱。

托马斯·范·里埃(Thomas Van Liere)参与了这个比较木材品种的项目,他说他很欣赏这门课“不仅仅是数学”。我们了解了工业上的实际应用,以及我们可能用到这些知识的工作。”

埃尔-加布里说:“当普林斯顿大学的学生出于他们自己的特权,而不仅仅是为了解决一个问题,去做一些具有创业精神的事情来节省资金或能源时,他们是自我驱动的。”“然后你会得到非常棒的工作。”

除了机械和航空航天工程学系,2019年秋季热力学课程收到了来自普林斯顿的支持1972级教学计划通过250周年基金在本科教育创新,Community-Engaged项目奖学金,McGraw教学中心,工程学院的威廉·皮尔森场讲座基金。校园实验室是可持续发展办公室的一个研究和教学项目。

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:https://www.princeton.edu/news/2020/01/09/real-life-examples-bring-new-energy-core-thermodynamics-course

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