大学化学, 2021, 36(11): 2104065-0 doi: 10.3866/PKU.DXHX202104065

 

以节能减排竞赛为抓手,培养本科生创新思维与实践能力

方启, 索艳格,, 张治国

Innovative Thinking and Practical Ability Training of Undergraduates through Participating in the Contest on Energy Saving and Emission Reduction

Fang Qi, Suo Yange,, Zhang Zhiguo

通讯作者: 索艳格, Email: suoyange@zust.edu.cn

收稿日期: 2021-04-26   接受日期: 2021-05-25  

基金资助: 浙江省高等教育“十三五”第二批教学改革研究项目.  jg20190316

Received: 2021-04-26   Accepted: 2021-05-25  

Abstract

Participation in academic competition is an effective way to cultivate undergraduates' innovative thinking consciousness. It plays a very important role in cultivating and improving students' innovative thinking ability and practical ability. From the aspect of the undergraduates, this paper introduces the training of their innovative thinking and practical ability through participation in "national university student social practice and science contest on energy saving and emission reduction". The background of the competition, team building, determination of the topic, implementation process and perception of the students are introduced.

Keywords: Innovative thinking ; Practical ability ; Energy saving and emission reduction competition

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方启, 索艳格, 张治国. 以节能减排竞赛为抓手,培养本科生创新思维与实践能力. 大学化学[J], 2021, 36(11): 2104065-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202104065

Fang Qi. Innovative Thinking and Practical Ability Training of Undergraduates through Participating in the Contest on Energy Saving and Emission Reduction. University Chemistry[J], 2021, 36(11): 2104065-0 doi:10.3866/PKU.DXHX202104065

创新思维与实践能力的培养对提高大学生适应未来工作的能力有重要意义。浙江科技学院是一所应用型本科院校,学校一向重视学生创新思维和实践能力的培养。学校教师也鼓励学生利用课余时间,积极参加业余科研和各类科技竞赛。在此,分享一下我们参加第十三届全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛的经历。介绍我们从选题到制作作品,再到参加决赛的过程中,是如何将课堂所学的知识真正地应用到产品设计上,同时分享一下我们在比赛过程中的一些心得体会。

1 竞赛背景

全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛(以下简称“节能减排竞赛”)是由教育部高等教育司主办、唯一由高等教育司办公室主抓的全国大学生学科竞赛,是教育部确定的全国十大大学生学科竞赛之一。该竞赛紧密围绕国家能源与环境政策、结合国家重大需求,充分体现了“节能减排、绿色能源”的主题,得到了教育部和广大高校的高度关注[1]。节能减排竞赛鼓励学生从课堂的理论学习出发,关注社会生活中的污染排放和能源不合理利用等问题,切实将课堂上学习到的先进知识有效地利用到社会生产生活中去。这样的参赛经历不仅有利于提高学生的创新思维和应用实践能力,而且也能为部分理论概念得到更加广泛的应用场景提供平台。

浙江科技学院高度重视节能减排竞赛,在校内进行宣传,鼓励学生积极参与,并举办校内小型海选,专业评委老师给予评价和指导。通过校内海选,一方面,部分不完善的设计方案被剔除出去,确保参赛作品的质量;另一方面,评委老师还为我们后期进一步提高作品的质量提供了许多关键性的指导意见。

2 团队建设

独木不成林,一个人的力量有限,想要完成一个好的作品,必须依靠团队力量。因此,我们首先进行了团队建设,建立了一支优势互补的创新团队。团队核心成员是我校能源与环境系统工程系的方启和唐杰,这两位成员自大二开始就进入指导教师的实验室做实验助理,进行了精细化学品、功能性新材料和热电制冷方面的科研训练和实践,具有一定的实践操作能力,在项目选题过程中发挥了重要的作用。根据项目需求,我们另外优选了几位具有不同特长的队员。王杰董同学善于表达,他优异的口才可为后期作品答辩提供更好的保障。谢浩锋同学思维敏捷、精于计算,他总能提出许多有创新性的改进意见。魏士凯同学精通各类视频剪辑软件以及绘图工具,可为高质量的答辩PPT和展示视频的制作提供帮助。在参赛作品的制作过程中,大家各司其职,有条不紊,为共同的目标而奋斗。

团队建立好后,我们根据节能减排竞赛的时间节点,制定了完整的工作计划,比如,什么时间需要确定好选题,什么时间需要完成产品的设计,什么时间需要完成产品雏形的制作等。在整个作品的完成过程中,团队成员分工有序,从定题到设计,从实物制作到决赛答辩,我们积极沟通与交流,相互帮助,共同完成了整个参赛作品的制作。在这个过程中,我们每个人的创新思维能力、实践操作能力、细节把握能力以及团队协作能力都有了显著的提高。

3 竞赛选题

一个作品能否引起大家的关注,选题是首要环节。对于科技竞赛作品,需要具备以下几个特点:创新性、价值性、科学性和可行性。结合节能减排竞赛“节能减排、绿色能源”的主题,我们首先在选题上进行了大量的工作。团队成员自2019年10月开始,查阅各种资料,阅读大量文献,并于每周召开小组讨论会议,交流各自搜集到的有益信息,进行头脑风暴。我们发现,蒸馏是化工领域中最成熟、应用最广泛、且必不可少的一种分离工艺。然而,传统蒸馏装置的能耗非常高。当前,节能减排是全球可持续发展的主题,蒸馏作为一种典型的高能耗分离过程,如何降低蒸馏过程的高能耗已成为迫切需要解决的关键难题。所以我们决定以低能耗蒸馏装置的设计作为研究目标。

4 实施过程

4.1 项目背景和意义

蒸馏是一种热力学的分离工艺,它利用混合液体或液-固体系中各组分沸点不同,使低沸点组分蒸发,再冷凝以分离整个组分的单元操作过程,是蒸发和冷凝两种单元操作的联合(如图 1所示)。蒸馏是最重要且应用最广泛的化工分离操作,是化学工业的首选分离技术[2],广泛应用于酒类生产、海水淡化、石油化工、食品医药等各个领域液体物料的分离。

图1

图1   传统蒸馏装置的工作原理


但是,蒸馏是一种典型的高能耗分离工艺,特别是在石油炼制和某些化工企业中,主要能量消耗均在蒸馏操作上。据统计,化工过程中40%–70%的能耗用于分离,而蒸馏能耗又占其中的95% [3]。蒸馏过程的高能耗主要体现在加热蒸发阶段的高温过程和冷凝阶段的低温过程,都需要消耗海量能源。在蒸发过程中,需要提供能量用以加热混合物,使液态物质完成气化过程。在冷凝过程中,更需要消耗能源进行制冷[4-6],完成高温气态物质的冷凝。因此,蒸馏工艺的蒸发和冷凝两个过程都是高耗能的过程。同时,传统蒸馏方式的能源利用效率又非常低,据计算,传统蒸馏装置的能源利用效率仅为30%,其余大部分热量散失到环境空气中,能源浪费严重。

当前,节能减排成为全球可持续发展的主题,降低蒸馏过程的高能耗已成为迫切需要解决的关键难题。多年来,针对蒸馏过程高效节能技术的研究已经得到了充分的探索[6, 7],但是由于蒸馏过程蒸发阶段和冷凝阶段都需要消耗海量能源,因此总体能耗仅有有限程度的改善。随着全球经济的迅猛发展,人类的能源需求与日俱增,高能耗的蒸馏工艺给化工分离过程带来了越来越大的挑战[7, 8]

在课堂学习中,我们曾学习过热电制冷片的工作原理,也即半导体材料的帕尔贴效应。帕尔帖效应是指电流经过不同的半导体组成的回路时在不同半导体的接头处会分别出现放热和吸热现象,形成半导体制冷片的高温端和低温端[9, 10]。在查阅大量文献后,我们发现,目前的应用中,大多利用热电制冷片的低温端获得制冷效果,而高温端的热量多被释放到环境中,这不仅造成了能源和资源的浪费,也造成了环境的污染。于是,我们灵机一动,是否可以将半导体的帕尔贴效应耦合到蒸馏装置中,将半导体制冷片的高温端应用于蒸馏的蒸发过程,将半导体制冷片的低温端应用于蒸馏的冷凝过程,实现蒸馏过程中加热与冷却的倍增协同,大幅降低蒸馏工艺的能耗?于是,我们的课题“一种可实现加热与冷却倍增协同的高能效蒸馏装置”就产生了。

4.2 实验方案制定与执行

4.2.1 设计原理

帕尔帖效应是指电流经过不同的半导体组成的回路时在不同半导体的接头处会分别出现放热和吸热现象,形成半导体制冷片的高温端和低温端[9, 10]。如图 2所示,当一块N型半导体材料和一块P型半导体材料联结成的热电偶对中有电流通过时,两端之间就会产生热量转移,热量就会从一端转移到另一端,从而产生温差形成冷热端[11-14]

图2

图2   (a) 帕尔贴效应原理图[9];(b) 半导体制冷片示意图[10]


我们作品的核心节能原理是将半导体制冷片的帕尔贴效应耦合进入蒸馏装置,将半导体制冷片的高温端用于蒸馏的蒸发过程,将半导体制冷片的低温端用于蒸馏的冷凝过程,实现蒸馏过程中加热与冷却的倍增协同。

4.2.2 方案制定

在开展实物产品设计时,首先根据工作原理(如图 3所示)将设计的蒸馏模块安装在半导体制冷片的高温端,通过半导体制冷片热端产生的热量对待蒸馏的混合组分不断加热,使之升温并产生乙醇蒸气,半导体制冷片热端即可作为蒸馏装置的加热部分。再将加热产生的乙醇蒸气通过半导体制冷片的低温端进行换热,获得冷凝后的乙醇。然而,实际测试中发现,由于气体的导热系数较低,换热效果不良,这种设计方案有很大的改进空间。

图3

图3   工作原理示意图


团队成员在与指导教师讨论分析后,对产品设计进行了优化。采用循环水冷的方式,以水作为工质对半导体制冷片的低温端进行换热,该循环水冷再对乙醇蒸气进行冷却,在冷凝管中实现乙醇蒸气的液化与回收。最终优化后的设计方案及实物图如图 4所示。

图4

图4   作品设计方案示意图


4.2.3 实物设计

我们作品设计的高能效蒸馏装置的部件主要包括半导体制冷模块、蒸发箱体、水冷箱体、测温模块、电源模块、储液槽、冷凝管、循环水泵、蒸馏液收集槽等。以蒸馏乙醇为例,采用半导体制冷片的高温端对蒸发箱体中的乙醇进行直接加热,实现乙醇的气化;而半导体制冷片的低温端对循环水冷介质进行冷却,该循环水冷再对乙醇蒸气进行冷却,在冷凝管中实现乙醇蒸气的液化与回收。

(1) 半导体制冷片。

选用如图 5a所示的半导体制冷片,其主要参数如下:外形尺寸为40 × 40 × 3.75 mm;内部电阻为2.1–2.49 Ω;最大温差(ΔTMAX)为67 ℃;工作电流(IMAX)为4–4.6 A;额定电压为12 V;制冷功率(QcMAX)为50–60 W。工作过程中使用四片制冷片,采用并联方式。

图5

图5   核心部件示意图

a. 半导体制冷片;b. 蒸发箱体设计和实物图;c. 水冷箱体;d. 核心部件装配设计图;e. 核心部件实际装配图


(2) 蒸发箱体。

蒸发箱体与半导体制冷片的高温端接触,吸收高温端的热量,并加热箱体中的乙醇,完成乙醇的蒸发过程。根据半导体制冷片的尺寸,设计了如图 5b所示的蒸发箱体,其外形尺寸为40 × 40 × 80 mm,箱体内设翅片,增加受热面积,强化换热,提高加热效率。箱体底部开孔,将待蒸馏乙醇引入蒸发箱体中;箱体上部开口,将乙醇蒸气导出。

(3) 水冷箱体。

水冷箱体与半导体制冷片的低温端接触,箱体内的循环水与低温端换热,降低循环水的温度。根据半导体制冷片的尺寸,设计了如图 5c所示的水冷箱体,其外形尺寸为40 × 40 × 12 mm,箱体内设蛇形流场,强化换热。箱体上端开口,分别将循环水导入和导出箱体。

(4) 核心部件装配设计。

利用螺栓、螺母和固定块将蒸发箱体、半导体制冷片、水冷箱体紧固为一体(命名为核心部件),各个部件之间均采用导热硅脂进行填补,减小接触热阻。整体核心部件装配设计图如图 5d所示,实物图如图 5e所示。

(5) 整体实验装置。

除了核心的半导体制冷模块、蒸发箱体、水冷箱体之外,实际蒸馏实验装置还包括测温模块、电源模块、储液槽、冷凝管、循环水泵、蒸馏液收集槽。其中测温模块用于测试工作过程中半导体制冷片高、低温端,循环水,蒸气出气口,储液槽中待蒸馏液体以及收集槽中蒸馏回收液等各点的温度。电源模块给半导体制冷片和循环水泵提供动力。储液槽用于放置待蒸馏液体,其通过U型管与蒸发箱体连接,将待蒸馏液体持续导入蒸发箱体中。乙醇蒸气与循环水冷在冷凝管换热,实现蒸气的液化。循环水泵用于给水冷提供循环动力。蒸馏液收集槽用于收集乙醇馏分。

4.2.4 实验方案

对设计的新型蒸馏装置和传统蒸馏装置的启动时间、收集液温度、蒸馏速率、启动能耗、单位质量能耗、能效比等性能参数进行了对比。在这些参数中,启动时间和蒸馏速率主要反映了装置的响应速度,收集液温度则反映了收集槽中乙醇的二次挥发量,启动能耗、单位质量能耗、能效比用于衡量蒸馏装置的能源有效利用程度。最后保证新型蒸馏装置的长期可靠性,我们记录了制冷片两侧的温度。最终考查出水泵和制冷片的电压的最优值。

按照图 6所示的作品实物图,将各个部件组装完成。在制冷片冷热两端、冷凝管乙醇相进口、收集槽、冷凝管水相进出口、水冷箱体进出口放置热电偶,利用希玛AS887型温度测量仪测试各点温度。蒸发箱体出口放置温度计测试乙醇蒸气的温度。记录电源开启后到乙醇开始产出时的时间以及工作0.5 h后乙醇的产量。

图6

图6   作品实物图


4.2.5 结果分析

本项目围绕“节能减排、绿色能源”的竞赛主题,设计了新型的蒸馏装置,并对该装置的蒸馏效率进行了测试。

表 1数据可以看出,我们设计的新型蒸馏装置在热性能和综合性能方面都比传统蒸馏装置有了较大的提升。

表1   传统蒸馏装置与本作品的性能对比

设备类型传统装置本作品性能分析
总功率/W500 (加热) + 60 (保温)98.53
冷却水流量/(L·h-1)6060
蒸发箱体内温度/℃78.678.6
蒸发箱体出口温度/℃77.177.2
收集槽内产物温度/℃2630
启动时间/min256启动时间缩短/min19
平均产率/(g·h-1)31.04130.38产率提升比例420%
启动能耗/kJ75035.47启动能耗下降比例95.3%
单位产物能耗/(kJ·g-1)6.962.72单位能耗下降比例61%
能效比/η0.30.78能效比提升比例260%

启动时间:设备接入电源至产生第一滴组分所需的时间;平均产率:设备产生第一滴组分,一小时内的平均产出量;单位产物能耗:每分离一克产物消耗的能量

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(1)热性能:根据实验,本作品的高效蒸馏装置在蒸馏乙醇过程中,单片制冷片最高功率为22.88 W,平均产率为130.38 g·h-1。而传统蒸馏设备的实验结果表明,其平均产率为31.04 g·h-1。本作品较传统蒸馏设备蒸馏产能提升420%。

(2)综合性能分析:将本作品的高效蒸馏装置应用于乙醇的蒸馏过程中。该设备采用电压为9.8 V、电流为9.34 A的电源并联驱动四片制冷片,使用电压为14 V、电流为0.5 A的电源驱动循环水泵。设备启动时间约为6 min,启动能耗为35.47 kJ,设备能耗为2.72 kJ·g-1,而传统蒸馏装置用500 W水浴加热,启动时间约为25 min,启动能耗为750 kJ,设备能耗为6.96 kJ·g-1。实验结果表明,本作品设计的基于帕尔帖效应的可实现加热与冷却倍增协同的高能效蒸馏装置,其蒸馏能耗仅为传统蒸馏装置的39%,节能效果突出。

4.3 竞赛答辩

2020年由于新冠疫情的影响,响应国家号召,“赛迪环保杯”第十三届全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛于2020年8月28日举行决赛的线上答辩。我们小组为了能够更好地展示作品的优势和特色,在答辩之前我们进行了充分的准备。

参加决赛,需要在限定的时间内,将作品通过PPT简明扼要地展示给专家评委,优秀的PPT就成为答辩成功的第一步。因此,我们和指导教师一起对PPT的每个细节都进行了多次讨论与修改,包括PPT大纲构思、文字、图表和视频等都进行了仔细推敲。最终确定的PPT具备了主题鲜明、风格简明、重点突出的特点,可以很好地抓住评委老师的眼球。有了好的PPT做基础,也需要优秀的PPT演讲才能达到良好的效果。为此,在答辩前,我们对答辩人员进行了优选,并进行了多次模拟练习。首先,我们选择了具有良好演讲口才的王杰董同学来进行PPT演讲。为了在限定时间内,重点突出、简明扼要地完成PPT演讲,我们将演讲过程中要说的每一句话都书写下来,并仔细推敲,哪句话不合适,立即修改。我们还邀请指导教师以及教师课题组的研究生做我们的观众,对他们进行了多次演讲,演讲结束之后,他们也给我们提了很多有益的修改意见。通过多次练习,我们PPT演讲流畅、重点突出,并且时间严格控制在9分30秒左右,达到竞赛要求的10分钟之内。另外,我们还对专家评委可能提出的问题进行了预先设计,模拟回答问题过程。

2020年的节能减排竞赛因为疫情的原因,竞赛委员会最终确定使用腾讯会议软件进行线上答辩。在答辩前,我们也对答辩设备(包括电脑、两个摄像头机位)进行了仔细调试,确保答辩当天设备的正常使用。另外,因为线上答辩,无法将实际作品送到现场给评委老师观看,我们把作品摆放在演讲者的身后,作演讲的背景。这样,在答辩过程中,评委老师如果想要观看实际作品,我们就可以很好地展示给他们。

在最终的答辩过程中,我们从背景意义、工作原理、设计方案以及结果与讨论等几个方面详细地向评委老师阐述了整个作品的创新性、科学性和节能性。得益于赛前的充分准备,我们准确地回答了评委老师提出的各个问题。

4.4 比赛结果

2020年8月30日上午8点,怀着激动的心情,我们几个留校参加线上答辩的组员早早地坐在了电脑前,等待线上的颁奖仪式。看着各个获奖小组代表走上领奖台,看着一页页的获奖名单变换,我们几个也紧张得冒汗。直到最后,我们团队的项目“一种可实现加热与冷却倍增协调的高能效蒸馏装置”出现在了一等奖的获奖名单上,我们都激动地流下了幸福的泪水。

5 感悟

这次节能减排竞赛的作品是我们小组成员大学期间学习的各项技能的结晶,从能量的转化到物质的流动,再从电路的设计到各项尺寸的配比计算,期间的每一步都是以坚实的课堂理论知识和在实验室不断积累的实践能力为基础逐步完成的。

在项目定题的初期,我们曾有过不切实际的天马行空,也有过超出团队能力的奇思异想。那些超出认知能力的想法虽好,但并不是现在的我们能够实现的。我们及时发现了问题,决定沉下心来,成员们开始利用现有资源查阅大量的文献资料,同时团队成员与指导教师定期开会,汇报各自阅读文献后得到的灵感,然后大家一起讨论想法的可行性。最终,在大家的不懈努力下,将重点放在了已经熟悉的半导体制冷片和蒸馏装置的耦合上,并且确定将“一种可实现加热与冷却倍增协调的高能效蒸馏装置”作为作品的主题。在确定选题的过程中,我们查阅了大量的科技文献。这些文献的知识大多超出了我们课本的学习内容,通过阅读这些文献,我们的自主学习能力得到了很大程度的提升;另外,这些知识也扩宽了我们的科学视野。通过查新,也使我们能够紧跟科学前沿、避免闭门造车。这个过程培养了我们的创新思维意识和能力。

在项目的实施过程中,同样遇到了许多问题。因为疫情的原因,2020年春季学期的前几个月我们都在家中,无法到实验室实地开展实验。后来,我们决定在每晚的六点半到十一点半采用腾讯会议的方式进行讨论,大家还利用手中现有的资料和软件对数据进行模拟计算,发现其中的不足,并及时与指导教师进行沟通与交流。虽然进度不是特别如意,但大家的思想激烈碰撞,每隔一段时间都会有新的优化方案提出,这为5月份到校继续开展作品的制作和方案的优化提供了坚实的基础。5月份开学之后,我们充分利用课余时间,到实验室进行实物作品的制作与优化。在实验实施过程中,从各个部件的设计制作,到装置的组合,到实验数据的采集,我们都亲力亲为,这个过程锻炼了我们的动手实践能力。在项目方案的实施和优化过程中,我们所遇到的问题都没有相应的教科书教我们如何去解决,我们只能坚持不断摸索,探索新的解决问题的思路,这进一步培养了我们的创新思维能力。另外,我们的实验也会经常出现一些问题,每当遇到实验不顺的时候,我们都会坚持不懈,努力从失败的经验中总结教训,迎难而上。这个过程也培养了我们战胜困难的勇气,坚持不懈的毅力,严谨认真的科研态度和不怕吃苦的奉献精神。小组成员守望相助,最终我们一起突破艰难险阻,走到了决赛的领奖台。大家的团队协作能力也得到了极大的提升。

在申报书的撰写过程中,也遇到了一些问题,还记得我们第一版的申报书是那样的粗糙。在申报书撰写过程中,指导教师给了我们极大的帮助,两位指导教师教会我们每一部分应该突出什么重点。比如研制背景和意义,应该重点阐述我们作品的创新性、实用性和价值性;工作原理部分要清晰明了地讲清楚我们的设计思路和原理;结论部分要做到突出作品成果的节能性、创新性、应用性和经济性;另外,申报书的字体、段落以及参考文献的格式都要严格按照相关标准格式进行。通过作品申报书的撰写,我们的论文撰写能力也得到了极大的提升。我们真正明白了什么是科技论文的科学性、逻辑性和规范性。

通过参加节能减排竞赛,我们将课堂上学习到的理论知识真正地应用到实践中。我们的科研能力、创新思维能力、实践操作能力、科研报告的撰写能力以及团队协作能力都得到了有效的提升。另外,我们还体会到任何一件事情的成功都不是偶然的,都是要经过艰苦卓绝的奋斗过程的。这些宝贵的经验和能力必将使我们受益终身。

6 结语

综上所述,通过参加全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛,我们的创新思维和实践能力都得到了有效提升。坚实的课堂理论知识为我们解决实际问题提供理论基础;积极查阅文献有效拓宽了我们的科学视野;实验室工作经历培养了我们严谨的科学态度并提高了我们的实践动手能力;撰写各类申报材料提高了我们的文字撰写能力,教会我们如何将自己想要表达的想法简明扼要地书写成文;参加答辩过程提高了我们的演讲能力,教会我们如何简明准确地向其他人展示自己的想法。通过参加节能减排竞赛,我们获益良多。在此,也感谢全国大学生节能减排社会实践与科技竞赛组委会为我们提供了这么大的舞台。

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