传热学课程教学改革的探索
[摘 要]传热学是能源动力类专业的一门重要专业基础课程，对学生专业课程的学习和应用能力的提高有着重要影响。针对传热学的课程特点和内容分布特色，以具体案例的形式探索了不同教学方法和不同考核方式在传热学教学中的应用，以达到激发学生学习兴趣，培养学生创新能力，提高课堂教学质量的目的。
[关键词]传热学;教学方法;课堂教学;教学改革
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传热学是研究热量传递及其规律的一门学科，是工程热物理的重要分支，它与工程热力学和流体力学并称能源动力类专业的三大支柱。作为一门应用学科，其在热能动力、石油化工、航空航天、生物医学和建筑节能等领域得到了广泛应用。
传热学的教学不仅要为学生学习专业课提供基础理论知识，还要培养学生分析、解决问题的能力。但是传热学课程内容多并且不够连贯，还存在大量经验参数和公式，同时该课程需要较深、较广的数学基础，对学生的学习基础要求较高。现有的教学方法往往偏向于介绍原理、推导公式，再用公式解题。这种教学模式忽视了学生主动学习能力和创新能力的培养，不利于锻炼学生应用传热学知识解决实际工程问题的能力[1]。
本课题组在广东省教学改革项目和广东海洋大学教改课题“应用科研案例教学法的热工基础教学改革研究”项目的支持下，为达到培养学生的主动学习能力、工程应用能力和创新思维能力的目的，在传热学课程的教学中采用相关科研工程案例引入法、 运用基本理论解决日常问题及分析比较法等对课程的教学过程进行了尝试，同时对课程的考试方法进行了探索，以期达到提高传热学课程教学效果的目的。
一、日常生活问题讨论教学
教师的教与学生的学是互相促进的过程，培养学生的自主学习能力，是提高学生学习效果的有效途径。为了强调学生在学习过程中的自主学习能力，在教学过程中应以学生为主体，教师在课堂教学过程中以引导式教学为主。教师在课前收集与本节课程内容有关的日常实例，加以组织，让学生在课下通过学习小组提前思考和讨论，激发学生课前预习的热情，同时调动学生课堂学习的主动性和积极性。教师在课堂上从该问题入手，讲解基本理论，给出解决问题的方法，加深学生学习的印象。这种通过问题引出基本的理论，再运用理论解决实际问题，最后再升华到理论的教学方式激发了学生学习的主动性。比如在进行热量传递的基本方式介绍之前，我们提出的问题是：暖水瓶保温的原因是什么?这种日常生活中很明显的问题，学生都懂得一些，但上升到理论就很难说得全面。另外，我们设置了小型实验模拟讲解，比如将蜡烛加热盛水的纸杯，问学生水是否能被烧开?纸杯有没有可能燃烧?通过这些日常问题，激发学生的兴趣，引发大家的讨论和思考，这样的课堂教学效果明显得到提高。
本课程的教学内容较多，概念、原理和公式也多，对于教学过程中不适合用日常生活实例引出的知识点和理论可以在教学过程中引入别的方式，以達到好的教学效果。在教学过程中引入的问题，首先要与教学内容相符合，此外还要依托理论对实际问题进行提炼，将基础知识和处理过程与方法结合在一起。有时候日常生活中看似比较普通的问题也可能包含着相当多的理论知识，为达到好的教学效果，我们需要在教学过程中适当引入。例如，在相变对流传热过程中我们可以提出：用多层蒸笼蒸馒头，层与层之间用钢丝网隔开，在有顶盖和无顶盖的情况下哪层馒头最先熟[2]?这是一个日常生活中常见的案例，也是一个生活常识。学生在课前积极思考，在课堂教学中提出对流换热机理的理论分析。通过理论学习分析强制对流与自然对流、有相变与无相变对流换热的强弱问题。课前学生可能知道馒头有盖时上层、无盖时下层会先熟，但无法运用理论解释。经过理论学习和案例讨论后，学生明确了从机理上强化换热的原则。课堂教学知识点与实际问题相结合，加深了学生对基础知识的理解和掌握。
二、科研案例教学
科研案例教学法是在案例教学法的基础上，通过分析课程的特点和课程的教学现状，在教学内容上尝试选用专业任课教师、课题组以及其他一些可以借鉴的已完成的科研项目，将这些科研项目应用到该课程的基础知识中，通过将这些年的科研项目设计、组织并呈现于课堂[3]。我校能源与动力工程专业教师每年都承担或参与很多科研项目，其中大多是国家级和省级科研项目，具有较高的科研水平和参考价值，这些科研项目在实施的过程中不可避免地需要应用到专业知识。教师收集教研室历年来承接或参与的这些科研项目，以及文献资料中可用于工科生传热学课程教学的科研案例，根据教学内容和学生的兴趣特点，对这些科研案例进行精心的概括、组织，以此作为教学案例呈现给学生。比如在讲解肋片的稳态导热时，利用课题组所承担的航空发动机涡轮叶片尾缘扰流柱的流动和换热问题研究的科研项目，分析肋片导热的机理和效率等。授课章节需选择代表本章重点的科研案例，并针对专业特点做重点选择，让学生在具体的科研案例中牢固掌握该课程的理论知识，加深对知识的理解。通过对这些案例的掌握到理论知识的应用来激发学生的学习兴趣，培养学生的创新能力，形成理论与实际相结合的教学方法。
教学案例引入的手段可以是文字描述，也可以是多媒体或者图表等。教师将案例呈现后，根据教学目标，在教学过程中来循序渐进地启发学生，不断引导学生积极地进行思考;课堂形式也可以灵活多变，比如让学生组成多个小组，每个小组合作分析和讨论案例中的各种问题，探索解决问题的方法，通过这样的方式培养学生应用理论知识解决实际问题的能力。
在案例教学环节同时引入学生参加节能减排大赛和大学生创新实验项目的内容，利用学生自己的方案来分析如何结合理论知识解决实际问题的能力[4]。这样的方式使学生觉得自己能更好地参与到学习之中，这既加强了学生对理论知识的理解，又增强了学生参与科研的热情，很多学生由此爱上科研，从而考取研究生，为就业扩宽了渠道。
三、工程案例教学
传热学课程是能源与动力工程专业的专业基础课，课程主要是为后续专业课的学习打下基础。课程本身虽然是专业基础课，但也具有很多实践问题。我校能源与动力工程专业部分教师长期从事冷库设计、中央空调设计安装和换热器改造等工程项目，将这些工程实际项目归纳整理，然后与课程知识对接，可以使学生更好地体会到如何将理论知识应用于实际工程，这扩宽了学生的视野，消除了学生认为学习理论知识无用和不知如何用的想法，激发了学生的学习兴趣，强化了学生的工程观念[5]。
另外，能源与动力工程专业与学校周边的部分企业有紧密合作关系，可聘请企业的工程师来结合生产实际进行学术交流。比如在专业认识实习环节、课程设计环节和毕业设计环节等，聘请企业高工共同指导学生，将企业的生产实际带入教学过程之中。通过这种教学空间的拓展和延伸以及生产一线的工程实践，可以增强学生的自主创新能力，激发学生的学习兴趣，丰富学生的专业前沿知识，更好地实现学校与企业的对接，加强校企合作;同時，学生也能够在毕业工作时加快向工程师的转变。
四、比较分析法教学
比较分析法教学是教师常用的教学方法。比较分析法在巩固容易混淆的概念，推进其不同应用时具有独特的优势[6]。教学效果的好坏不仅仅要看教师的授课内容是否涵盖教学大纲，也不单是看教师在教学过程中的态度是否认真，还要看学生在整个课程的教学中的学习效果，其对知识的掌握和理解是否达到要求。教师把相关联的知识点归纳总结，然后进行比较分析，通过比较让学生加深印象，加强理解，这达到了较好的学习效果。在对流换热章节，我们可以把自然对流与无相变强制对流进行比较，对流动的起因、状态、换热过程中的温度场和速度场的特性等进行比较，从而让学生加深对知识点的理解，达到提高教学效果的目的。另外，可以对照分析相关的工程案例，将理论学习与实际运用联系起来。
五、改进考核方式
考试是检验学生学习效果的最好办法之一，并且考试成绩也对学生的学习具有检查和激励作用。将考试融入学习的过程之中，可以加强学生在考试和学习过程中的主体地位，使考试成绩能更公正地反映出学生的知识水平和学习能力。为培养学生的积极性和主动性，课程授课结束时教学团队的教师就给出题型，比如名词解释、判断、简答题和计算题等，让学生自己根据这些题型自行出题，每人可出30道题，能源与动力工程专业有6个班级180个人，这相当于一个试题库。
这种针对自己出题的考试方法让学生感觉很新鲜，学生很愿意尝试。在实际操作过程中学生发现要想出好试题，首先必须要掌握好每章的基础知识，然后再归纳总结，出题的过程是一个很好的自我复习的过程。同时每个学生所认为的每章的重点难点不一定相同，这样学生就会仔细阅读课本，并找出书中自己认为比较重点的内容进行出题。大量的这种题目汇总在一起，涵盖了整本教材的重点难点，并且这些是学生自己认为难以理解和不好掌握的知识点，这更能起到让学生巩固、理解和加深印象的作用。学生在出题过程中还会思考哪里是容易出错的，哪里是大家都会的。在这样的模式下，大家对课程知识点的思考将得到进一步提升。出题形式的灵活多样，也让学生复习的时候需要做到面面俱到，很多教师可能没想到的问题学生都有可能在试题中体现出来。这样灵活的方式要求学生在复习的时候需要对整本书的知识点加以理解和掌握，这样才能达到学习的目的。
另外，学生所出的题目也可能存在错误，或者由于每个人学习能力的不同，试题的质量也不一样;有的很简单，这时候需要任课教师付出大量的工作来把好质量关，对试题进行筛选。通过查看学生所出的试题，教师可以了解大家哪些教学内容理解得较好，哪些教学内容理解得不够好，这样可以在将来的教学中加强对这部分内容的讲解。通过学生自己出题，任课教师还可以了解学生的学习差异，学习好的学生所出的题目都比较综合，具有一定的难度，对课本理解得较好，再加上学生之间更能够清楚哪些知识点不容易掌握，所以题目的难度、综合性和创新性比较好。学习成绩普通的学生，由于对知识的理解不够深入，所出的题目很多都是简单明了的。任课教师根据学生所出题目的难易程度可以区分出哪些学生课堂和课后认真学习，这可以作为给出平时成绩的依据之一。
另外，还可以把历年来学生相对容易错的试题和知识涵盖面广的试题收集整理，放进试题库，不断完善试题库的内容。学生要想考出好的成绩，就需要掌握试题库的内容，这就要求大家同时要理解、掌握其他同学所出的试题，这样能提高学生的学习主动性和积极性。让学生自己出题自己考自己这种考核方式的转变，可让学生加强学习，更好地掌握知识;教师也可通过分析学生的试题，对教学过程进行思考，针对试题库中所反映的问题进行教学的整改和完善。
六、组织学生参与各类竞赛活动
结合大学生节能减排大赛、制冷大赛和挑战杯竞赛等各类活动，组织学生自由组成团队参与各类竞赛活动，运用所学知识解决实际问题。在各类竞赛活动中，教师参与辅导学生，实验室教师指导学生自己加工安装实验部件，同时规范操作，按工程实际指导学生实操技能，提高学生的思考能力和动手能力。
通过参与各类竞赛活动，学生有了自主学习的动力，能自主查阅文献，加深了对基础知识的理解，理解了基础知识在实际的应用。同时，这还激发了学生的科研兴趣，学生的考研率也大幅增加，学生在全国大学生节能减排大赛等各类竞赛中获得各类奖项多项。
七、结语
传热学课程教学的教学理念应当是理论结合实践，同时注重思维创新，并且鼓励科学探索。根据教学中的重点和难点应用不同的教学方法和教学方式，将理论教学、实验教学和工程实践紧密结合起来，激发学生的学习兴趣，使传热学的教与学都变得富有吸引力，这样能够更好地培养学生的专业技能和创新能力，提升学生的综合素质，达到提高教学质量的目的。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 何雅玲，陶文铨.对我国热工基础课程发展的一些思考[J].中国大学教学，2007(3)：12-15.
[2] 席新明，闫小丽.基于创新人才培养的热工基础课程教学改革研究[J].高等农业教育，2011(9)：46-48.
[3] 王修彦.准案例教学法在《工程热力学》课程中的实施[J].中国电力教育， 2002(4)：92-94.
[4] 崔虹云，尚东昌，肖仲杰.高等教育人才培养模式中实践教学的改革与探索[J].黑龙江高教研究， 2014 (2)：163-165.
[5] 杨艳娟.试析应用型人才培养的“桥梁工程”课程教学[J].黑龙江高教研究， 2013(10)：162-164.
[6] 屈刚.应用比较法进行药理学教学的探讨[J].教师， 2010(23)：75-76.
[责任编辑：陈 明]
作者：徐青 凌长明
摘要：结合传热学课堂教学的实践，从传热学的课程特点出发，以提高学生的学习兴趣，树立学生的工程实际观点，增加课堂教学的互动性，培养学生分析问题、解决问题的能力为思路，从课程内容体系上合理组织教学内容，采用多种教学方法相结合，充分发挥学生在课堂教学中的主体作用，并对实践环节和考核方式等方面进行改革，使课堂教学融传授知识、培养能力和提高素质为一体，真正培养出具有独立学习能力，理论联系实际解决工程实际问题，面向工程实际的人才。
关键词：传热学;课堂教学;教学方法;教学内容
作者简介：衣秋杰(1978-)，女，山东栖霞人，山东科技大学机电学院，讲师。(山东 青岛 266590)
基金项目：本文系“2010年山东科技大学教育教学研究‘群星计划’基金项目”(项目编号：qx102035)的研究成果。
“传热学”是热能与动力工程专业的专业基础课程之一，也是能源、化工、动力、土木、电子等学科的主要专业课之一。由于自然界和工业生产中到处都有热量传递现象，所以传热学理论在各个领域都有着广泛的应用。传热学是一门经典的传统课程，同时又是一门发展中的应用性极强的基础课程。山东科技大学(以下简称“我校”)自2001年首批招收热能与动力工程专业本科生起，就在专业培养方案中设置了“传热学”课程，自2009年开始在车辆工程专业加设“热工基础”课程(包括“工程热力学”和“传热学”)，目前我校开设传热学课程的专业还有建筑环境与设备工程专业、安全工程专业、过程装备与控制工程、材料成型及控制工程专业。本课程既属于专业基础课程，又是与工程实际结合紧密的应用学科，“传热学”的课程教学质量直接关系到后续专业课程的工程应用及理论研究，在专业人才培养过程中发挥着重要的作用。为了在有限的学时中尽快引导学生入门，笔者在教学实施过程中对教学目标的确定、课程内容选择、课堂教学方法研究、学生情况和成绩考核等方面进行了一系列探索与实践。
一、课程体系和教学内容的改革
“传热学”的主要内容包括热量传递的基本方式，热量传递的基本规律及其应用，传热过程综合分析三大部分。专业不同，课时不同，对本课程的需求是不同的，在保持课程内容体系完整性，服务于专业的原则下，结合专业需要建立内容丰富、层次分明、针对性强的课程体系，丰富和完善与专业相适应的课程体系。在教学实践中根据不同学时数，安排不同的教学内容，制定不同的课程主线。比如，对车辆专业少课时传热学内容，教学重点内容放在热量传递的基本方式和基本规律的应用上，课堂教学围绕着专业需求安排教学内容，其课程主线图安排如图1所示。注重以理论联系实际的方式将相关内容的专业背景、科研信息与应用在课堂教学中体现出来，呈现给学生，使学生能够找到本课程内容与其专业的应用点和结合点，树立和强化学生的工程概念和意识，培养其解决实际问题的能力。
对于多学时的课程教学，教学内容既要结合工程实际，又要和学科前沿相结合，注重学生解决实际问题能力的培养和视野的开阔。教学内容要加强学生工程意识的培养，培养学生解决实际问题的能力。工科院校的教学必须加强对学生工程实践意识的培养和工程设计能力的训练。传热学的数学推导较多，查图查表较多。传统教学观念中，偏重于介绍原理和公式推导，最后套用公式解题。学生虽然会解难题，可是遇到工程实际问题却无从下手。为此课堂教学中从工程应用的角度出发，结合学生的专业特点，举出与专业课程和实践环节密切相关的实例，根据实例建立起数学模型，并确定定解条件(包括边界条件和初始条件)，然后利用数学知识求解方程或方程组获得分析解或数值解或得到实验关联式。最后对所获得的解进行分析，用来解释传热现象，指导工程实际。例如，管道保温层的覆设、锅炉炉膛的辐射传热等，通过实例让学生初步树立工程观念。通过增加与工程密切相关的习题来加强学生工程实际意识的培养和工程设计能力的训练。例如，在讲用热电偶测量储气罐内气体温度这一实例时，可以提出如何降低测量误差的问题，引导学生学会在工程实际中如何用理论知识指导生产。这样一来，既可以增强学生的学习积极性，增强他们的工程观念，培养他们的工程意识，还可以培养学生全面考虑问题，解决实际问题的能力。
教材并非唯一的教学课程资源，在传热学中，为学生提供丰富多彩的具有时代特点的传热学学习材料可以拓宽学生的学习视野，激发学生的学习热情。教师可以把与课程相关的前沿学术动态和科研信息随时补充穿插在课堂教学中，鼓励学生利用网络和电子期刊获取与学科相关的论文信息，也可以鼓励学生利用所学知识通过大学生科研立项等科技创新活动解决生活中遇到的问题。例如，在讲解传热的连续介质假定的条件时，可以提到微尺度传热。在讲到强化传热时，可以提到场协同原理。这样可以提高学生的学习兴趣，培养学生的主动查阅科技文献的自学能力和发现问题解决问题的能力。
二、以学生为本的教学方法的灵活应用
传热学虽然是热能与动力工程专业的一门专业基础课，但是它在人们的日常生活和工程实践中都能找到实际应用。现在的大学生思想活跃，自主性强，如果仅仅对教材平铺直叙，照本宣科，教师只顾在黑板上进行公式推导，很容易让学生感到枯燥乏味，不积极思考，感受不到学科魅力，无法集中注意力学习专业基础知识，更谈不上学以致用。如果能够在教学过程中利用其身边感兴趣的实例加以引导，则能激发学生的学习兴趣，提高学生的学习积极性。例如，笔记本的散热问题，室内暖气的安装位置问题。通过深入浅出的讲解，运用所要讲述的理论分析问题解决问题，不仅可以提高学生的学习兴趣，还可以激发他们的求知欲和探索精神。
教学过程中启发提问相结合，活跃课堂气氛，提高学生学习的积极性和主动性。教学过程中，学生是课堂教学中的主体，只有调动起学生主体的积极性和主动性才能提高课堂教学效果。专业基础课不可避免的会遇到一些理论分析和公式推导，这些往往是教学内容中比较枯燥乏味的部分，学生很容易失去学习兴趣。采用启发式提问，加强师生互动，可以营造生动活泼的学习环境，促使学生积极参与到教学过程中而不是被动接受知识的灌输。如果能够先分析公式推导的依据、目的和结论，并指出其中的关键点和推导思路，然后留出时间让学生自己动手推导或作为思考题的形式让学生课后思考，在下次课时让学生针对推导过程中遇到的问题各抒己见，鼓励学生勇于质疑，提出自己的新观点，学生可以提出自己的问题，甚至是对教学内容的质疑，这样不仅可以巩固学生对知识的掌握和理解，促使学生主动学习，促进学生发散思维和创造性思维的发展，进一步深化素质教育。在师生互动的过程中，可以提高学生口头表达能力和增强心理素质，还可以教学相长，对教师也是一种督促和激励，需要教师不断提高完善自己，不断与时俱进。
教师要善于总结，通过比较，加深学生对基本概念的理解，通过比较揭示不同现象的本质。例如，通过散热器内热水和室内空气的热量传递与热工设备换热器冷热流体间的热量传递的比较，引出传热过程的概念。通过比较还可以让学生找到知识点之间的相互联系与区别。例如，通过热量传递和动量传递的类比，理解热量传递与动量传递间的某些相同点，加深对热量传递的理解，学会比拟法研究对流换热问题。通过比较，还可以让学生认识到理想物体与实际物体间的差异，理论与实际的差距，认识到理论应用在具体不同条件下产生的个体差异，为今后解决工程实际问题积累经验培养能力。例如，理想物体黑体和实际物体辐射力及辐射换热量的计算的比较。教师不仅应善于总结通过比较教学法帮助学生建立完整清晰的知识体系，还应该引导学生学会独立运用比较方法，培养独立思考，主动学习，善于分析事物本质及联系的能力，形成自己的知识体系。
当然课堂教学灵活性很大，不能为了单纯运用教学方法而运用，适时灵活的将多种教学方法综合运用，才能达到良好的教学效果。例如，在讲授通过圆筒壁的传热过程时，可以由此联系到工程实际中管道的散热问题，这时可以提问相同厚度的保温层放在圆管内保温效果好还是放在圆管外好呢?学生可能认为放在管外好，结果答案恰恰相反，带着疑问就会认真听讲。待这个问题解决后，再问学生同样是在外面包裹一层，电线外面加了一层聚氯乙烯也是起到保温的作用吗?学生又会有疑问，这时引出“临界热绝缘直径”的概念，通过分析热流量和圆筒直径的关系，发现直径小于临界热绝缘直径时，在外面敷设保温层反而起不到保温的作用，起到散热的作用;当直径大于临界热绝缘直径时，在外面敷设保温层才能起到保温的作用。通过创设问题情境，运用比较法，启发提问相结合的教学方法，有利于学生解决实际问题能力的培养。
三、教学实践方式的改革
除了以课堂教学为依托的认识实践，通过课堂讲授、课堂讨论、讲座、实验等方式通过知识的传授和习得来增加知识，提高分析和解决问题的能力，还加强实践教学的比重。注重实践，以课外活动为依托通过课外活动锻炼学生的实际动手能力和应用知识的能力。主要方式有本科生科研、社团活动、小组活动、实习等。具体措施有改革课程结构，增加课程的实践环节，更新实验课、习题课、见习课的内容，增加其学时数，促进理论教学和实践教学的融合;实行本科生科研制度，通过科研提高学生的动手能力和解决问题的能力。这为增强学生运用理论知识解决实际问题的能力打下了良好的基础。例如，热能与动力工程专业2008级边鑫超等同学利用课余时间设计完成的作品《一种新型风力与太阳能互补供电系统(路灯)的设计》在2011年“泰汽新能源杯”第八届山东省大学生机电产品创新设计竞赛获一等奖，还有多名同学获得优秀奖。
四、结束语
授之以鱼不如授之以渔，教授一门课程的主要目的不仅在于让学生掌握必需的科学知识，更应该在于教会学生一种分析问题解决问题的方法和思路，培养其能力提高其素质。要求每一名大学教师在以后的教学过程中还必须不断学习，不断摸索，不断积累，通过教学环节的精心设计，教学内容的取舍分析，教学方法的灵活运用，因材施教，注重实践，真正培养出具有独立学习能力，理论联系实际解决工程实际问题，面向工程实际的人才。
(责任编辑：刘丽娜)
作者：衣秋杰
摘要：针对“传热学”课程教学的现状，通过教学效果调查分析，结合安全工程专业的特点，对课程的教学进行改革。优选教材，精选教学内容是教学改革的前提;通过采用板书与多媒体相结合的教学方式、教师讲与学生练相结合的教学方法，并辅助于对比教学法、实践教学法和团队合作学习教学法是教学改革的关键;平时成绩、团队合作小论文和期末笔试相结合的考核方法是“传热学”教学改革的科学选择。
关键词：传热学;教学改革;安全工程;团队合作学习法
安全科学是一门正在成长中的新兴学科。由于安全问题本身的复杂性和多样性等特点，目前人们对于安全科学技术的学科内涵还不甚清楚，普遍存在着专业方向不明确，人才培养模式没有统一的标准，师资队伍的知识结构不合理，教材没有反映出学科本质，实验室建设落后于专业发展要求，教学实践环节薄弱等情况，给我国具有安全工程专业的院校、教学质量的提高和培养高素质的社会需要的安全科学技术人材方向带来困惑。
研究热能的传递、转换与控制的”传热学”是一门应用性较广的基础课程，也是安全工程专业的专业基础课。它是以微分方程、热力学、流体力学等为基础发展起来的，但其发展的过程又与现代实验科学紧密相连，该课程以其自身学科的发展的特征具有以下特点：内容多且不系统、缺乏连贯性，图表和微分方程、经验公式、半经验公式多。
随着教学改革的不断深化，”传热学”教学课时越来越少。按照传统的教学方式方法，容易使学生失去学习兴趣，教学效果不佳。为满足安全工程专业”传热学”教学的要求，作者根据多年的教学情况分析，结合安全工程专业的特点，对其教学方式方法进行分析和改革。
一、安全工程专业”传热学”教学现状
1957年，煤炭部所属西安矿业学院(现西安科技大学)开始开设“矿山通风与安全”专业，成为我国第一批开设矿山安全类专业的高校。1984年7月，“安全工程”专业被国家教委列入“普通高等院校本科专业目录”。20世纪90年代末，随着我国安全科学学科的确立和进一步发展，教育界对安全工程专业有了新的认识，提出了“大安全”观的办学理念，这就使得安全工程专业的教学知识量有了大幅度的增加。据统计，专业基础课程达30～40门，而专业应用课程则可高达147门之多。在西安科技大学安全工程專业教学培养计划的不断改革中，“传热学”的教学学时数被不断减少，由最初的72学时减少到目前的48学时，而采用的高教出版社出版由杨世铭主编的”传热学”教材却由第一版更新到第四版，教材内容大幅度增加，教学内容的增加与授课学时的减少之间的矛盾致使教师和学生在授课与学习过程中都感觉吃力。另一方面，”传热学”教材拓展的知识面与不同专业需求之间的矛盾也导致教学改革势在必行。
为了更好的完成安全工程专业“传热学”课程教学改革，作者对西安科技大学安全工程专业的毕业生和在校生进行了问卷调查。该调查包括三个方面：教材和教学内容、教学方式方法以及考试形式。有效问卷163份，经分析归纳后，总结如下：1)教材知识面广，但理论性偏强，应增加工程应用;2)多媒体教学课堂容量大，难以吸收;3)希望能采用开卷考试。综合调查结果及西安科技大学安全工程专业”传热学”课程多位任课教师的教学经验，对该课程教学进行改革。
二、优选教材，精选内容
合理选用优秀教材、精选教学内容是提高教学质量的重要前提。西安科技大学安全工程专业选用由杨世铭、陶文铨主编的第四版“传热学”(以下简称教材)，该教材荣获国家级教学成果二等奖、中国高等学校科学技术奖一等奖，是目前国内大多数能动类专业的教学首选教材。由于课程总学时有限，必须认真思考，精选教学内容，突出重点和难点。其次，考虑教材出版的滞后性，所以在教学时还要注重收集相关的研究动态与最新信息，尤其补充安全工程专业相关工程应用。
安全工程专业”传热学”教学主要内容体系包括：
1)从课程内容的角度，按合-分―合的方式进行：在绪论中引出导热、对流、辐射换热以及传热过程的基本概念，使学生对传热学有基本的了解，然后分别按三种传热方式深入讨论各自的基本规律，到课程教学的后半阶段再以换热器以及复合换热为对象作第二次综述，使学生能在更高的认知层面上进一步综合、灵活应用传热学的知识去分析解决问题。
2)从学习研究方法的角度，导热部分的内容以介绍分析解法以及数值解法为主，对流部分以介绍在相似原理指导下的实验研究内容为主，辐射部分以介绍分析解法为主。
3)从工程应用的角度，全部教学内容紧紧围绕三个基本主题，即传热的强化、传热的削弱及温度场的控制。
三、改进教学方式方法
教学提倡“教为主导，学为主体”思想的基本含义就是教师引导学生学习，学生成为学习的主人，其目的是充分发挥教师“教”的积极性和学生“学”的主动性。用教师的“导”来帮助学生“学”，促进学生能力的不断提高。传统教学经常采用的、最习惯的方法就是课堂灌输法，这种方法对于学生掌握科学文化知识是必要的。但是如果只有这种方法，课堂教学就显得非常单调，学生也会感到枯燥乏味，调动不起学生学习的主观能动性，教学效果也不会太好。要想让学生成为学习的真正主人，课堂教学既要注意严肃性，也要注重趣味性、灵活性。教学方式更应该具有多样性，既要有注入式，又要有讨论式;既要有提问式，又要有答疑式;既要有课堂讲授法，又要有自学指导法;既要有演绎式，又要有归纳式;更要注意各种方法的综合运用。我们在课堂上要起主导作用，引导学生积极地思考问题、回答问题，不仅向学生传授知识，而且最重要的是同学生一起探讨掌握知识的方式方法，学会学习，给学生今后的学习和生活以重要影响。
“传热学”课程教学改革采用的主要教学方式方法主要包括以下五部分。
1.板书与多媒体相结合的授课方式
据安全工程专业”传热学”授课调查结果可知，多媒体教学存在课堂信息量多，学生接受吃力的缺点，而完全采用板书教学又存在课时紧张的问题。采用板书和多媒体相结合的方式是比较好的选择。
对于热量传递过程的物理机理、基本规律和主要的计算方法采用板书教学，尤其是导热及对流换热微分方程的推导。微分方程的推导及简化是”传热学”课程教学的难点，采用多媒体教学结果显示，大部分学生跟不上教师的节奏，来不及消化，效果较差。
而导热、对流换热、热辐射三大块的总结及工程应用采用多媒体教学。以导热问题为例简单介绍之。通过对教材第二、三、四章的板书学习，学生基本了解导热问题主要用于解决什么样的问题及采用什么样的方法。用一个学时的多媒体教学将这三章的内容串起来进行总结，帮助学生回顾刚学过的知识，同时学生也不會觉得信息量太大。另外，用一个课时的多媒体教学进行诺模图的工程应用学习，使学生掌握傅里叶数和毕渥数对非稳态导热问题的影响，同时也避免了图表难以板书的问题。
2.教师讲与学生练相结合的教学方法
在所有的教学过程中，老师们都在不断探索怎样提高学生学习的主观能动性的方式方法。比如如何提高学生的听课兴趣，教师通过提高自己授课的音量、授课的趣味性、课堂提问等等方式来引起学生的注意。笔者有时也采用趣味教学来提高学生的听课兴趣，但即使学生50分钟都集中注意力，并听懂了老师授课的内容，可下课后呢?大部分学生又将刚刚学习的知识返还回了课堂。
所以，笔者还采用教师讲与学生练相结合的教学方法，以教材第二章第三、五节为例。教师用十五分钟的时间讲授第三节的一维无限大平壁分析解的简化处理及求解过程，然后给学生十分钟的时间来练习第五节的具有内热源的一维导热问题。这样的方式既节省了时间，又使学生更深层次的了解到简单导热工程问题的处理方法。
3.对比教学法
对比法是融合归纳法和演绎法的一种方法，是一种重要的逻辑思维方法，它借助已有的知识体系，通过对比、总结、归纳，演绎出事物间的共性规律，达到由此及彼地理解掌握新事物的目的。由于“传热学”课程里有些概念比较抽象，采用比拟法则能使学生把对已知对象的明晰性和可理解性转移到被研究对象身上去，化抽象为形象，从而有利于认识新事物的本质规律[8-9]。在介绍导热、对流换热及热辐射的基本定律时，采用导热和导电比拟法教学，三个定律都可写成欧姆定律的形式，从而引入“热阻”的概念。对照热阻与电阻，根据物理学相关电学知识，则容易使学生理解掌握传热的基本机理及如何强化换热。多表面封闭系统辐射换热求解的网络法也是该对比教学法的具体应用。
4.实践教学法
教材第四章的导热问题数值解法是新版本教材新加进来的内容，有部分教师在讲授“传热学”课程时跳过了该部分内容，笔者认为不妥。随着计算机技术的发展，越来越多的工程问题都选择用商用软件来进行处理，所以掌握工程问题数值解法的基本原理对学生来说是必要的。笔者在讲安全工程专业“传热学”课程时，用一次课的时间讲授数值解法的基本原理和方法步骤，并给定简单工程实例安排一次课的上机实践。学生通过自行编写程序、调试、计算，才能真正掌握数值解法的基本思路，同时将“传热学”课程与计算机语言课程联系起来。
实验教学毫无疑问是理论联系实际的有效教学方法，在此不再累述。
5.团队合作学习教学法
团队精神是任何个人单位和集体取得事业和科研成功的主要因素之一。通过布置一些与本课程有关的工程问题，将学生按四到六个人分为一个小组，每个小组一个问题，最后完成一篇小论文作为期末考核的一部分。学生分工合作，互相讨论，通过查阅文献，分析总结，最后提出自己的想法来完成这篇论文，这样既提高了学生查阅文献的能力，还培养了团队合作精神，也易于培养学生成为研究型工程人才。
四、改革考试方式
目前用人单位对高校毕业生提出的问题主要表现在：适应社会能力、心理承受能力和拼搏精神不足;创新能力、独立学习和独立工作能力明显不够;理论联系实际解决工作问题的能力很差;再学习能力较差。这也是由于高校长期传统的教学方式和考核制度造成的。传统的教学方法是“教师讲学生听，教师写学生记，教师圈学生背”，期末教师按圈命题，学生靠背应试，结果学生获得高分。显然，按照这样的模式所培养的学生，其学习主动性势必得不到充分发挥，参与意识、思维能力、创新精神等受到严重束缚，这就是常说的“高分低能”，这样的学生很难成为现代化建设的栋梁。教学必须改变传统考核方式，建立学生学习质量全面评价制度，注重考试内容的选择，不能局限在死记硬背的内容上。除闭卷考试外，还可以采用课堂开卷考试、课外开卷考试、课堂小组讨论、小论文等方法来考核学生综合运用知识分析问题和解决问题的能力。
安全工程专业“传热学”课程期末的主要考核内容由以下三部分组成。
1)综合平时的考勤、作业、提问、答疑等情况给出平时成绩。该成绩占最后总评的20%。
2)团队合作撰写小论文。课程临近结束时，主讲教师提出10个左右的建议题目，由学生选择，通过查阅资料、分析、计算等撰写出小论文一篇，作为期末考试的部分内容。该部分占最后总评的30%
3)期末笔试。采用闭卷的方式进行，对基本概念，明确要求学生掌握。对于应用经验公式的计算题告知相关公式、参数，这样可以减少学生花在死记硬背上的时间，而把主要精力集中到对物理机制与基本概念的理解上。而对于工程应用问题只要求学生给出物理模型和数学模型即可。
传热学是安全工程专业一门重要的专业基础课，而教学改革是一个需要不断研究不断创新的课题。教学的关键还是在老师，只有老师都能够动起来，学生才能有兴趣听，教学改革才能成功。必须不断探索，才能创造出以现代化教育科学理论为指导的、符合安全工程专业实际情况的、具有特色的、行之有效的教学方法，为培养一代新人做出更大贡献。
参考文献
[1]翟小伟，邓军，罗振敏等.现代企业对安全工程人才的需要方向及培养方法探讨[J].中国安全科学学报，2007，17(4)，P111-114.
[2]郭永辉，王子云.关于”传热学”课程教学改革之我见[J].制冷与空调，2004，16(2)，P69-70.
作者：张京兆 张俭让
第一章 基本概念：传热学的研究内容;热能传递的三种基本方式;传热过程和传热系数。
计算：传热过程和传热系数的计算。
第二章基本概念：导热基本定律 —— 傅立叶定律温度场;等温面、等温线;导热系数;
导热问题的数学描述;导热微分方程的推导及物理意义;热扩散率;接触热阻。计算：典型一维稳态导热问题的分析解;等截面直肋的计算。
第三章基本概念：非稳态导热过程的特点和类型;Bi准则数;第三类边界条件下Bi准则
数对平板中温度分布的影响;集中参数法的条件。
计算：集中参数法温度场的分析解及应用。
第五章基本概念：对流换热的影响因素;表面传热系数的物理意义;对流换热问题完整的
数学描述;流动边界层、热边界层。
第六章基本概念：相似原理与量纲分析;P241 表6-1;变物性影响的修正及原因;流体
横掠单管流动的特点——边界层的分离(用图定性分析);
计算：管槽内湍流强制对流传热关联式的应用
Nuf0.023RefPrf加热流体，n=0.4;冷却流体，n=0.3此式适用于流体与壁面温度具有中等温差的场合。
采用流体平均温度tf为定性温度，取管内径d为特征长度。
实验验证范围为Ref10~1.210,Prf0.7~120,l/d60。
第七章 基本概念：凝结传热的模式;努塞尔的纯净蒸汽层流膜状凝结的分析解推导的思路。
注意相关的假设条件。(难点);水平管外凝结与竖直管外凝结的比较。(P307，第四版);不凝结气体对膜状凝结和沸腾换热的影响。大容器饱和沸腾的三个区域及特点;临界热流密度及其工程意义。
第八章 基本概念：热辐射的概念;固、液、气的吸收率、透过率和反射率;如何理解黑体
模型;黑体热辐射的基本定律及计算公式;辐射力、光谱辐射力、定向辐射强度之间的区别。实际物体的发射率、吸收率，光谱发射比、光谱吸收比的定义及计算式。如何理解实际物体的吸收比;灰体的定义及重要意义;吸收比与发射率的关系——基尔霍夫定律建立的严格条件、它与灰体的提出的意义;加深对教材(第四版：表8-3)的理解。
计算：三个基本定律的应用;黑体辐射函数表的应用。
第九章 基本概念：辐射传热的角系数;有效辐射的定义;重辐射面;表面热阻;空间热阻;
多表面封闭网络法求解的实施步骤。
计算：两个漫灰表面组成的封闭腔的辐射传热公式及计算;两表面换热系统的辐射
网络图;多表面封闭系统网络图。
第十章 基本概念：通过圆筒壁的传热分析及计算公式的特点;通过肋壁的传热过程分析计
算公式的特点;临界热绝缘直径的意义;顺流、逆流的区别;平均温差的计算;换热器设计的类型和要求;换热器设计的方法及主要步骤。
任课老师：欧阳莉2014年6月16日 450.8n
1、煤油冷凝器的设计任务书
1、设计题目:煤油冷却器的设计
工程背景：在石油化工生产过程中，常常需要将各种石油产最(如汽抽、煤油、柴油
等)进行冷却，本设计以某炼油厂冷却煤油产品为例，让学生熟悉列管式换热器的设计过程。
设计的目的：通过对煤油产品冷却的列管式换热器设计，达到让学生了解该换热器的结构特点，并能根据工艺要求选择适当的类型，同时还能根据传热的基本原理，选择流程，确定换热器的基本尺寸，计算传热面积以及计算流体阻力。
2、设计任务及操作条件
(l)处理能力：
(x)× 104t/a煤油
(2)设备型式
列管式换热器。
(3)操作条件
①煤油：入口温度：140;出口温度：40℃。
②冷却介质：自来水，人口温度：30℃，出口温度：50℃。
③允许压强降：不大于105Pa。
④每年按330天计，每天24h连续运行。
(4)设计项目
①设计方案简介：对确定的工艺流程及换热器型式进行简要论述。
②换热器的工艺计算：确定换热器的传热面积。
③换热器的主要结构尺寸设计。
④主要辅助设备选型。
⑤绘制换热器总装配图。
3、设计说明书的内容
①目录;
②设计题目及原始数据(任务书);
③论述换热器总体结构(换热器型式、主要结构)的选择;
④换热器加热过程有关计算(物料衡算、热量衡算;传热面积、换热管型号、壳体直径等);
⑤设计结果概要(主要设备尺寸、衡算结果等);
⑥主体设备设计计算及说明;
⑦主要零件的强度计算(选做);
⑧附属设备的选择(选做);
⑨参考文献;
⑩后记及其他。
4、设计图纸要求
附工艺流程图及冷凝器装配图一张。
2 乙醇一水精馏塔项产品冷凝器的设计任务书
1、设计题目
乙醇一水精馏塔顶产品全凝器的设计。
设计一冷凝器，冷凝乙醇一水系统精馏塔顶部的馏出产品。产品中乙醇的浓度为95%，处理量为(x)× 104t/a，要求全部冷凝。冷凝器操作压力为常压，冷却介质为水，其压力为0. 3MPa，进口温度为30℃，出口温度为40℃。
工程背景：采用薯类与谷类原料进行发酵。发酵法制乙醇是一个很复杂的生化过程，发酵在密封的发酵罐中进行产生的CO2的纯度达99%-99.5%以上，其余为气态杂质，组分(以C O2质量为基准)为：乙醇0.4%-0.8%，脂类：0.03%-04%，酸类：8. 08%-0.09%。成熟发酵醪中的乙醇必须经过初馏、精馏和除杂才能得到合格的乙醉。本课程设计即为粗乙醇(初馏塔出来的乙醇一水溶液)，在进行精馏获得合格产品的过程中，精馏塔顶冷凝器的设计。发酵法制乙醇的工艺也可以参考有关书籍或文献资料。
设计的目的：通过对乙醇一水系统精馏塔顶产品全凝器的设计，使学生了解和掌握化工单元操作设备设计的步骤、方法及基本技能，熟悉文献资料及物性参数的查阅和收集方法，懂得如何论证优化设计方案，合理科学地应用公式及数据。在设计中提高学生的分析能力和解决问题的能力。
2、设计任务及操作条件
①处理量：(x) × 104t/a ②产品浓度：含乙醇95%;
③冷却介质：P为0.3 MPa，入口温度30℃，出口温度40℃;
④操作压力：常压;
⑤允许压降：不大于l05 Pa;
⑥每年按330天计，每天24h连续运行。
⑦设计项目：
a.设计方案简介：对确定的工艺流程及换热器型式进行简要论述。
b.换热器的工艺计算：确定换热器的传热面积。
c.换热器的主要结构尺寸设计。
d.主要辅助设备选型。
e.绘制换热器总装配图。
3、设计说明书的内容
①目录;
②设计题目及原始数据(任务书);
③论述换热器总体结构(换热器型式、主要结构)的选择;
④换热器加热过程有关计算(物料衡算、热量衡算、传热面积、换热管型号、壳体直径等);
⑤设计结果概要(主要设备尺寸、衡算结果等); ⑥主体设备设计计算及说明; ⑦主要零件的强度计算(选做); ⑧附属设备的选择(选做); ⑨参考文献;
⑩后记及其他。
4、设计图纸要求
附工艺流程图及冷凝器装配图一张。
5、设计思考题
①换热器及工作原理?
②影响传热的主要因素有哪些?
③何为冷凝器，冷凝器的主要型式及结构?
④选择走管程或壳程的介质应考虑什么原则? ⑤循环冷却水的进出口温度确定原则?
⑥设计冷凝器的主要步骤。
⑦对冷凝器的设计你进行了哪些优化?
6、部分设计问题指导
学生在接受设计任务后，首先应明确设计的步骤、方向、如何查阅有关数据和收集资料，并确定设计方案。本设计应在以下几个方面的加以指导。
(l)物性数据的查阅
在设计中涉及水，乙醇等的多种物理参数，如密度、豁度、比热容、汽化潜热、导热系 数等等，如何正确查阅数据是化工技术人员的基本功，因此在这方面应加以指导。
(2)经验公式的正确应用
在设计中要用到某些经验公式，如果选择不当的则会使设计发生误差。如壳程换热系数计算时，如果采用单管公式显然不对。因为工业换热器的气体冷凝比单管要复杂的多，从上排管外流下的冷凝液在下排管会产生一定的撞击和飞溅，从而使下一排管外的冷凝膜并不像单管叠加时那么厚，同时附加的扰动又会加速传热，在缺乏可靠数据可采用经验公式估算。
(3)初选冷凝器
根据计算出的传热面积A。，从国家颁布的换热器标准系列中初选冷凝器，既不能选得 太大浪费，又要满足传热需要。此外，标准设备的管数与计算值不一致时如何考虑等，都需 要加以引导。
(4)结构设计
指导学生对关键部位进行设计并提出优化设想，如提高传热效果、降低成本等。
3 正戊烷冷凝器的设计任务书
1、设计题目
正戊烷冷凝器的设计。
设计课题工程背景：炼油厂精馏塔塔顶冷凝器蒸气主要是正戊烷，以此为原料设计一正戊烷冷凝器。
2、设计任务及操作条件
①处理量：(x)×104t/a;
②正戊烷冷凝温度为51.7℃，冷凝液于饱和液体下离开冷凝器;
③冷却介质：地下水，流量为7000kg/h，人口温度：20℃、25℃、30℃;
④允许压强降：不大于105Pa;
⑤每年按330天计，每天24h连续运行;
⑥设备型式：立式列管冷凝器;
⑦设计项目：
a.设计方案简介：对确定的工艺流程及换热器型式进行简要论述;
b.换热器的工艺计算：确定换热器的传热面积;
c.选择合适的立式列管冷凝器并进行较核计算; d.对冷凝器的附件进行设计，包括结构设计; e.绘制换热器总装配图; ⑧设计要求：
a.说明书采用统一封面和纸张; b.方案和流程的选择要阐明理由; c.设计过程思路清晰，内容完全;
d.设计、计算中，所采用的公式、数据、图表等注明出处，有些需说明理由; e.一律用钢笔或打印填写，要排列整齐，字体端正，书面整洁; f.计算过程均应写出;
g.设备图以制图要求为准; h.集中做设计，独立完成。
3、设计说明书的内容
①课程名称、首页、目录及页码; ②前言;
③简述设计内容，自己设计的特点，引用的标准等; ④热量衡算及初步估算换热面积; ⑤冷凝器的选型及流动空间的选择; ⑥工艺流程图;
⑦冷凝器的校核计算; ⑧结构及附件设计计算; ⑨冷凝器的主要数据一览表; ⑩设计结果评价; ⑧附立式列管冷凝器总装图。
4、设计图要求
附工艺流程图及冷凝器装配图一张。
5、设计答辩指导
①弄清整个设计过程脉络，关键步骤;
②基本概念正确，各计算方法有依据，准确;
③选型的依据，选择管程、壳程流体，流向或某一值的考虑;
④如何改进设计?-i有何可修改的地方?如何修改?
⑤分析、评荆所做设计是否可操作，经济性如何?
⑥图面布里是否符合制图标准?
⑦各部分结构在图上是否正确体现?
⑧设计说明是否清晰，文字有何错误?
4、甲醇冷凝器的设计
1、设计题目
甲醇冷凝器的设计。
2、设计任务及操作条件
①处理量：(x)×104t/a;
②甲醇进口温度为58℃，冷凝液于饱和液体下离开冷凝器;
③冷却介质：地下水，流量为7000kg/h，入口温度： 30℃;
④允许压强降：不大于105Pa;
⑤每年按330天计，每天24h连续运行;
⑥设备型式：列管冷凝器;
⑦设计项目：
a.设计方案简介：对确定的工艺流程及换热器型式进行简要论述;
b.换热器的工艺计算：确定换热器的传热面积;
c.选择合适的立式列管冷凝器并进行较核计算; d.对冷凝器的附件进行设计，包括结构设计; e.绘制换热器总装配图; ⑧设计要求：
a.说明书采用统一封面和纸张; b.方案和流程的选择要阐明理由; c.设计过程思路清晰，内容完全;
d.设计、计算中，所采用的公式、数据、图表等注明出处，有些需说明理由; e.一律用钢笔或打印填写，要排列整齐，字体端正，书面整洁; f.计算过程均应写出;
g.设备图以制图要求为准; h.集中做设计，独立完成。
3、设计说明书的内容
①课程名称、首页、目录及页码; ②前言;
③简述设计内容，自己设计的特点，引用的标准等; ④热量衡算及初步估算换热面积; ⑤冷凝器的选型及流动空间的选择; ⑥工艺流程图;
⑦冷凝器的校核计算; ⑧结构及附件设计计算; ⑨冷凝器的主要数据一览表; ⑩设计结果评价;
⑧附立式列管冷凝器总装图。
4、设计图要求
附工艺流程图及冷凝器装配图一张。
5、设计答辩指导
①弄清整个设计过程脉络，关键步骤;
②基本概念正确，各计算方法有依据，准确;
③选型的依据，选择管程、壳程流体，流向或某一值的考虑;
④如何改进设计?-i有何可修改的地方?如何修改?
⑤分析、评荆所做设计是否可操作，经济性如何?
⑥图面布里是否符合制图标准?
⑦各部分结构在图上是否正确体现?
⑧设计说明是否清晰，文字有何错误?
5、柴油加热器的设计
1、设计题目
柴油加热器的设计。
2、设计任务及操作条件
①处理量：(x)×104t/a;
②柴油进口温度为35℃，出口温度73℃;
③加热介质：饱和水蒸气，流量为5000kg/h，入口温度： 100℃;
④允许压强降：不大于105Pa;
⑤每年按330天计，每天24h连续运行;
⑥设备型式：列管换热器;
⑦设计项目：
a.设计方案简介：对确定的工艺流程及换热器型式进行简要论述;
b.换热器的工艺计算：确定换热器的传热面积;
c.选择合适的列管换热器并进行较核计算; d.对换热器的附件进行设计，包括结构设计; e.绘制换热器总装配图; ⑧设计要求：
a.说明书采用统一封面和纸张; b.方案和流程的选择要阐明理由; c.设计过程思路清晰，内容完全;
d.设计、计算中，所采用的公式、数据、图表等注明出处，有些需说明理由; e.一律用钢笔或打印填写，要排列整齐，字体端正，书面整洁; f.计算过程均应写出;
g.设备图以制图要求为准; h.集中做设计，独立完成。
3、设计说明书的内容
①课程名称、首页、目录及页码; ②前言;
③简述设计内容，自己设计的特点，引用的标准等; ④热量衡算及初步估算换热面积; ⑤换热器的选型及流动空间的选择; ⑥工艺流程图;
⑦换热器的校核计算; ⑧结构及附件设计计算; ⑨换热器的主要数据一览表; ⑩设计结果评价;
⑧附列管冷凝器总装图。
4、设计图要求
附工艺流程图及冷凝器装配图一张。
5、设计答辩指导
①弄清整个设计过程脉络，关键步骤;
②基本概念正确，各计算方法有依据，准确;
③选型的依据，选择管程、壳程流体，流向或某一值的考虑;
④如何改进设计?-i有何可修改的地方?如何修改?
⑤分析、评荆所做设计是否可操作，经济性如何?
⑥图面布里是否符合制图标准?
⑦各部分结构在图上是否正确体现?
⑧设计说明是否清晰，文字有何错误?
6、套管式加热器的设计
1、设计题目
柴油套管式换热器的设计。
2、设计任务及操作条件
①处理量：(x)×104t/a;
②柴油进口温度为35℃，出口温度73℃;
③加热介质：饱和水蒸气，流量为5000kg/h，入口温度： 100℃;
④允许压强降：不大于105Pa;
⑤每年按330天计，每天24h连续运行;
⑥设备型式：列管换热器;
⑦设计项目：
a.设计方案简介：对确定的工艺流程及换热器型式进行简要论述;
b.换热器的工艺计算：确定换热器的传热面积;
c.选择合适的列管换热器并进行较核计算; d.对换热器的附件进行设计，包括结构设计; e.绘制换热器总装配图; ⑧设计要求：
a.说明书采用统一封面和纸张; b.方案和流程的选择要阐明理由; c.设计过程思路清晰，内容完全;
d.设计、计算中，所采用的公式、数据、图表等注明出处，有些需说明理由; e.一律用钢笔或打印填写，要排列整齐，字体端正，书面整洁; f.计算过程均应写出;
g.设备图以制图要求为准; h.集中做设计，独立完成。
3、设计说明书的内容
①课程名称、首页、目录及页码; ②前言;
③简述设计内容，自己设计的特点，引用的标准等; ④热量衡算及初步估算换热面积; ⑤换热器的选型及流动空间的选择; ⑥工艺流程图;
⑦换热器的校核计算; ⑧结构及附件设计计算; ⑨换热器的主要数据一览表; ⑩设计结果评价;
⑧附列管冷凝器总装图。
4、设计图要求
附工艺流程图及冷凝器装配图一张。
5、设计答辩指导
①弄清整个设计过程脉络，关键步骤;
②基本概念正确，各计算方法有依据，准确;
③选型的依据，选择管程、壳程流体，流向或某一值的考虑;
④如何改进设计?-i有何可修改的地方?如何修改?
⑤分析、评荆所做设计是否可操作，经济性如何?
⑥图面布里是否符合制图标准?
⑦各部分结构在图上是否正确体现?
⑧设计说明是否清晰，文字有何错误?
1 .对于过热器中：高温烟气→外壁→内壁→过热的传热过程次序为( a ) A .复合换热、导热、对流换热 B .导热、对流换热、复合换热 C .对流换热、复合换热、导热 D .复合换热、对流换热、导热 2 .温度对辐射换热的影响 对对流换热的影响。(b )
A .等于
B .大于
C .小于
D .可能大于、小于
3 .对充换热系数为 1000W/(m 2 · K) 、温度为 77 ℃的水流经 27 ℃的壁面，其对流换热的热流密度为( d )
A . 8 × 10 4 W/m 2 B . 6 × 10 4 W/m 2 C . 7 × 10 4 W/m 2 D . 5 × 10 4 W/m 2 4 .流体流过管内进行对流换热时，当 l/d 时，要进行入口效应的修正。(c ) A .> 50 B .= 80 C .< 50 D .= 100 5 .炉墙内壁到外壁的热传递过程为( d )
A .热对流 B .复合换热 C .对流换热 D .导热 6 .下述哪个参数表示传热过程的强烈程度?( a ) A . k B .λ C .α c D .α 7 .雷诺准则反映了 的对比关系?(b ) A .重力和惯性力 B .惯性和粘性力 C .重力和粘性力 D .浮升力和粘性力 8 .下列何种材料表面的法向黑度为最大? c A .磨光的银 B .无光泽的黄铜 C .各种颜色的油漆 D .粗糙的沿
9 .在热平衡的条件下，任何物体对黑体辐射的吸收率 同温度下该物体的黑度。(c ) A .大于 B .小于 C .恒等于 D .无法比较
10 .五种具有实际意义的换热过程为：导热、对流换热、复合换热、传热过程和(a ) A .辐射换热 B .热辐射 C .热对流 D .无法确定
第二部分 非选择题
二、填空题(本大题共 10 小题，每小题 2 分，共 20 分)
11 .已知某大平壁的厚度为 10mm ，材料导热系数为 45W/(m · K) ，则通过该平壁单位导热面积的导热热阻为 。
12 .已知某换热壁面的污垢热阻为 0.0003 ( m 2 · K )，若该换热壁面刚投入运行时的传热系数为 340W ( m 2 · K )，则该换热壁面有污垢时的传热系数为 。 13 .采用小管径的管子是 对流换热的一种措施。 14 .壁温接近换热系数 一侧流体的温度。
15 .研究对流换热的主要任务是求解 ，进而确定对流换热的热流量。 16 .热对流时，能量与 同时转移。
17 .导热系数的大小表征物质 能力的强弱。
18 .一般情况下气体的对流换热系数 液体的对流换热系数。 19 .在一定的进出口温度条件下， 的平均温差最大。 20 . 是在相同温度下辐射能力最强的物体。
三、名词解释(本大题共 5 小题，每小题 4 分，共 20 分) 21 .稳态导热 22 .稳态温度场 23 .热对流 24 .传热过程 25 .肋壁总效率
四、简答题(本大题共 2 小题，每小题 8 分，共 16 分)
26 .不凝结气体含量如何影响了蒸汽凝结时的对流换热系数值?其影响程度如何?凝汽器如何解决这个问题?
27 .写出直角坐标系中导热微分方程的一般表达式，它是根据什么原理建立起来的?它在导热问题的分析计算中有何作用?
五、计算题(本大题共 2 小题，每小题 12 分，共 24 分)
28 .两块平行放置的平板 1 和 2 ，相关尺寸如图示。已知： t 1 =177 ℃、 t 2 =27 ℃、ε 1 =0.8 、
ε 2 =0.4 、 X 1 ， 2 = 0.2 。试用网络法求：
• 两平板之间的辐射换热量;
• 若两平板均为黑体表面，辐射换热量又等于多少?
29 .一台逆流式换热器用水来冷却润滑油。流量为 2.5kg /s 的冷却水在管内流动，其进出口温度分别为 15 ℃ 和 60 ℃ ，比热为 4174J/(kg · k) ;热油进出口温度分别为 110 和 70 ，比热为 2190 J/(kg · k) 。传热系数为 400W ( m 2 · k )。试计算所需的传热面积。
传热学
(二)参考答案
一、单项选择题(本大题共 10 小题，每小题 2 分，共 20 分) 1• A 2 . B 3 . D 4 . C 5 . D 6 . A 7 . B 8 . C 9 . C 10 . A
二、填空题(本大题共 10 小题，每小题 2 分，共 20 分)
11 . 2.22 × 10 - 4 ( m 2 · k ) /W (若没写单位，扣 0.5 分。)
12 . 308.5W/ ( m 2 · k ) [ 或 309W/ ( m 2 · k )或 308W/ ( m 2 · k ) ] (若不写单位，扣 0.5 分) 13 .强化 14 .较大
15 .对流换热系数(或α c 均可) 16 .质量(或物质) 17 .导热 18 .小于 19 .逆流 20 .黑体
三、名词解释(本大题共 5 小题，每小题 4 分，共 20 分) 21 . 【参考答案】
发生在稳态温度场内的导热过程称为稳态导热。
(或：物体中的温度分布不随时间而变化的导热称为稳态导热。) 22 .【参考答案】
温度场内各点的温度不随时间变化。(或温度场不随时间变化。) 23 .【参考答案】
依靠流体各部分之间的宏观运行，把热量由一处带到另一处的热传递现象。 24 .【参考答案】
热量由固体壁面一侧的热流体通过固体壁面传递给另一侧冷流体的过程。 25 .【参考答案】
肋侧表面总的实际散热量与肋壁 测温度均为肋基温度的理想散热量之比。
四、简答题)本大题共 2 小题，每小题 8 分，共 16 分) 26 .【参考答案及评分标准】
( 1 )因在工业凝汽器设备的凝结温度下，蒸汽中所含有的空气等气体是不会凝结的，故称这些气体成分为不凝结气体。当蒸汽凝结时，不凝结气体聚积在液膜附近，形成不凝结气体层，远处的蒸汽在抵达液膜表面进行凝结前，必须以扩散方式穿过这个气体层，这就使凝结换热过程增加了一个热阻，即气相热阻，所以 α c 降低。( 3 分)
( 2 )在一般冷凝温差下，当不凝结气体含量为 1% 时，换热系数将只达纯净蒸汽的 40% 左右，后果是很严重的。( 3 分，答 50% 左右也可)
( 3 )这是凝汽器必须装设抽气器的主要原因之一。( 2 分) 27 . 【参考答案及评分标准】
( 1 )直角坐标系中导热微分方程的一般表达式为： ( 3 分)
( 2 )它是根据导热基本定律(或傅里叶定律)和能量守恒定律建立起来的。( 2 分)
( 3 )作用：确定导热体内的温度分布(或温度场)。( 3 分)
五、计算题(本大题共 2 小题，每小题 12 ，共 24 分) 28 . 【参考答案及评分标准】
( 1 ) (3 分 ) 4
=1105.65W ( 1 分)
• 若两表面为黑体表面，则
(2 分 ) ( 3 分)
=1492.63W ( 1 分)
( 2 分)
若不写单位，扣 0.5 分若直接把值代入而没写出公式，也可给分。 29 . 【参考答案及评分标准】
已知： q m2 =2.5kg/s
• 计算平均温差
( 2 )计算水所吸收的热量
( 3 分)
( 3 )计算传热面积
由 得
(4 分 )
( 5 分)
若不写单位，扣 0.5 分若没写公式，直接把值代入，也可给分。
传热学
(三)
本试题分两部分，第一部分为选择题， 1 页至 2 页，第二部分为非选择题， 3 页至 7 页。本试题共 7 页;选择题 20 分，非选择题 80 分，满分 100 分。考试时间 150 分钟。
第一部分 选择题
一、单项选择题(本大题 10 小题，每小题 2 分，共 20 分)
在每小题列出的四个选项中只有一个选项是符合题目要求的，请将正确项前的字母填在题后的括号内。 1. 在锅炉的炉墙中：烟气 内壁 外壁 大气的热过和序为 : 【 】 A. 辐射换热 , 导热 , 复合换热 B. 导热，对流换热，辐射换热 C. 对流换热泪盈眶，复合换热，导热 D. 复合换热，对流换热，导热
2. 由表面 1 和表面 2 组成的封闭系统中： X 1,2 _____ X 2,1 。 A. 等于 B. 小于 C. 可能大于，等于， 小于 D. 大于 3. 流体流过短管内进行对流换热时其入口效应修正系数 【 】 A.=1 B. >1 C. <1 D. =0 4. 在其他条件相同的情况下 , 下列哪种物质的导热能力最差 ? 【 】 A. 空气 B. 水 C. 氢气 D. 油 5. 下列哪种物质中不可能产生热对流 ? A. 空气 B. 水 C. 油 D. 钢板 6.Gr 准则反映了 ________ 的对比关系。 A. 重力和惯性力 B. 惯性力和粘性力 C. 重力和粘性力 D. 角系数 7. 表面辐射热阻与 ________ 无关。 A. 表面粗糙度 B. 表面温度 C. 表面积 D. 角系数
8. 气体的导热系数随温度的升高而 【 】 A. 减小 B. 不变
C. 套管式换热器 D. 无法确定
9. 下列哪种设备不属于间壁式换热器 ? 【 】 A.1-2 型管壳式换热器 ? B. 2-4 型管壳式换热器 C. 套管式换热器 D. 回转式空气预热器 10. 热传递的三种基本方式为 【 】 A. 导热、热对流和传热过热 B. 导热、热对流和辐射换热 C. 导热、热对流和热辐射 D. 导热、辐射换热和对流换热
第二部分 非选择题
二、填空题(本大题共 10 小题，每小题 2 分，共 20 分)
11. 在一台顺流式的换热器中，已知热流体的进出口温度分别为 180 和 100 ，冷流体的进出口温度分别为 40 和 80 ， 则对数平均温差为 ___________ 。
12. 已知一灰体表面的温度为 127 ，黑度为 0.5 ， 则其车辆射力为 ____________ 。 13. 为了达到降低壁温的目的，肋片应装在 ________ 一侧。 14. 灰体就是吸收率与 ________ 无关的物体。
15. 冬季室内暖气壁面与附近空气之间的换热属于 ________ 换热。 16. 传热系数的物理意义是指 _________ 间温度差为1时的传热热流密度。 17. 黑度是表明物体 ________ 能力强弱的一个物理量。
18. 肋壁总效率为 _______ 与肋壁侧温度均为肋基温度时的理想散热量之比。
19. 在一个传热过程中，当壁面两侧换热热阻相差较多时，增大换热热阻 _______ 一侧的换热系数对于提高传热系数最有效。
20. 1-2型管壳式换热器型号中的“2”表示 _________ 。
三、名词解释(本大题5小题，每小题4分，共20分) 21. 换热器的效能(有效度) 22. 大容器沸腾 23. 准稳态导热
24. 黑体 25. 复合换热
四、简答题(本大题共2小题，每小题8分，共16分) 26. 气体辐射有哪些特点?
27. 为什么高温过热器一般采用顺流式和逆流式混合布置的方式?
五、计算题(本大题2小题，每小题12分，共24分)
28. 某炉墙由耐火砖和保温板组成，厚度分别为 200mm 和 80mm ，导热系数分别为 0.8W/(m. K) 和 0.11W/(m. K) ，炉墙内外侧壁温分别为 600 。 C 和 70 。 C 。求炉墙单位面积的热损失和两层材料间的温度。
29. 以 0.8m/s 的流速在内径为 2.5cm 的直管内流动，管子内表面温度为 60 。 C ，水的平均温度为 30 。管长2 m 。试求水所吸收的热量。(已知 30 。 C 时 , 水的物性参数为： C p =4.17KJ/(kg.K), λ =61.8 × 10 -2 W/(m.K), ρ =995.7kg/m 3 , μ =0.805 × 10 -6 m 2 /s, ) Pr=5.42, 水 60 。 C 时的 υ =469.9 × 10 -6 kg/(m.s)) 。已知水在管内流动时的准则方程式为
(1) Nu f =0.027Re f 0.8 Pr f 0.4 ε 1 ε R 适用条件： Re f =10 4 — 1.2 × 10 5 , Rr f =0.6-120, 水与壁面间的换热温差 t ≤ 30C ° (2) Nu f =0.027Re f 0.2 Pr f 1/3 ( μ f / μ w ) 0.11 ε 1 ε R 适用条件： Re f =10 4 ~ 1.75 × 10 6 , Pr f = 0.6 ~ 700, 水与壁面间的换热温差 t > 30 以上两个准则方程式的定性温度均为流体的平均温度(μ w 的定性温度为管内壁温度) , 特性尺度为管内径。
传热学
(三)参考答案
一、单项选择题(本大题共 10 小题，每小题 2 分，共 20 分) 1 . A 2. C 3. B 4. A 5. D 6. D 7. D 8. C 9. D 10. C
二、填空题(本大题共 10 小题，每小 2 分，共 20 分)
11 . 61.7 ° C 或 61.7 ° C( 若不写单位 , 扣 0.5 分 ) 12 . 725.76W/m 2 或 726W/m 2 ( 若不写单位 , 扣 0.5 分 ) 13 .冷流体
14 .波长或 “ λ ” 复合 15. 复合
16 .热冷流体 ( 或"冷热流体"也可，"热流体和冷流体 ) 也可 ) 17. 辐射 18. 肋壁实际散热量
19. 较大或 “ 大"、“较高” 20. 管程数
三、名词解释(本大题共 5 小题，每小题 4 分，共 20 分) 21 .【参考答案及评分标准】
换热器的实际传热量与最大可能传热量之比。或 22 .【参考答案及评分标准】
高于液体饱和温度的热壁面沉浸在具有自由表面的液体中所发生的沸腾。
• 【参考答案及评分标准】
物体内各点温升速度不变的导热过程。
• 【参考答案及评分标准】
吸收率等于 1 的物体。
• 【参考答案及评分标准】
对流换热与辐射换热同时存在的综合热传递过程。
四、简答题(本大题共 2 小题，每小题 8 分，共 16 分) 26 .【参考答案及评分标准】
( 1 )气体的辐射(和吸收)对波长有强烈的选择性，即它只能辐射和吸收某些波长范围内的能量。
( 2 )气体的辐射(和吸收)是在整个容积中进行的。固体和液体不能穿透热射线，所以它们的辐射(和吸收)只在表面进行。
评分标准：( 1 )答出 4 分：( 2 )答出 4 分。 27 .【参考答案及评分标准】
( 1 )因为在一定的进出口温度条件下，逆流的平均温差最大，顺流的平均温差最小，即采用逆流方式有利于设备的经济运行。
( 2 )但逆流式换热器也有缺点，其热流体和冷流体的最高温度集中在换热器的同一端，使得该处的壁温较高，即这一端金属材料要承受的温度高于顺流型换热器，不利于设备的安全运行。 ( 3 )所以高温过热器一般采用顺流式和逆流式混合布置的方式，即在烟温较高区域采用顺流布置，在烟温较低区域采用逆流布置。
评分标准：( 1 )答出 2 分;( 2 )答出 2 分;
( 3 )答出 3 分。
五、计算题(本大题共 2 小题，每小题 12 分，共 24 分)
• 28 .【参考答案及评分标准】 29 .【参考答案及评分标准】
基本概念 :
•
薄材 : 在加热或冷却过程中 , 若物体内温度分布均匀 , 在任意时刻都可用一个温度来代表整个物体的温度 , 则该物体称为 ----. •
传热 : 由热力学第二定律 , 凡是有温差的地方 , 就有热量自发地从高温物体向低温物体转移 , 这种由于温差引起的热量转移过程统称为 ------. •
导热 : 是指物体内不同温度的各部分之间或不同温度的物体相接触时 , 发生的热量传输的现象 . •
对流 : 指物体各部分之间发生相对位移而引起的热量传输现象 . •
对流换热 : 指流体流过与其温度不同的物体表面时 , 流体与固体表面之间发生的热量交换过程称为 ------. •
强制对流 : 由于外力作用或其它压差作用而引起的流动 . •
自然对流 : 由于流体各部分温度不同 , 致使各部分密度不同引起的流动 . •
流动边界层 : 当具有粘性的流体流过壁面时 , 由于粘滞力的作用 , 壁面附近形成一流体薄层 , 在这一层中流体的速度迅速下降为零 , 而在这一流层外 , 流体的速度基本达到主流速度 . 这一流体层即为 -----. •
温度边界层 : 当具有粘性的流体流过壁面时 , 会在壁面附近形成一流体薄层 , 在这一层中流体的温度迅速变化 , 而在这一流层外 , 流体的温度基本达到主流温度 . 这一流体层即为 -----. •
热辐射 : 物体由于本身温度而依靠表面发射电磁波而传递热量的过程称为 ------. •
辐射力 : 物体在单位时间内 , 由单位表面积向半球空间发射的全部波长的辐射能的总量 . •
单色辐射力 : 物体在单位时间内 , 由单位表面积向半球空间发射的波长在 λ -- λ +d λ范围内 的辐射能量 . •
立体角 : 是一个空间角度 , 它是以立体角的角端为中心 , 作一半径为 r 的半球 , 将半球表面上被立体角切割的面积与半径平方 r 2 的比值作为 ------ 的大小 . •
定向辐射强度 : 单位时间内 , 在单位可见面积 , 单位立体角内发射的全部波长的辐射能量称为 ----. •
传质 : 在含有两种或两种以上组分的流体内部 , 如果有浓度梯度存在 , 则每一种组分都有向低浓度方向转移 , 以减弱这种浓度不均匀的趋势 . 物质由高浓度向低浓度方转移过程称为 ----. •
分子扩散传质 : 静止的流体中或在垂直于浓度梯度 方向 作层流流动的流体中的 传质 , 有微观分子运动所引起 , 称为 ----. •
对流流动传质 : 在流体中由于对流掺混引起的质量传输 .
•
有效辐射 : 单位时间内 , 离开所研究物体单位表面积的总辐射能 . •
灰体 : 单色吸收率 , 单色黑度与波长无关的物体 . •
角系数 : 有表面 1 投射到表面 2 的辐射能量 Q 1 → 2 占离开表面 1 的总能量 Q 1 的份数 , 称为表面 1 对表面 2 的角系数 . •
辐射换热 : 物体之间通过相互辐射和吸收辐射能而产生的热量交换过程 .
填空题 :
•
当辐射投射到固液表面是表面辐射，投射到气体表面是 ---------- 辐射。容积 •
气体常数 R 量纲是 ------------- 。 [ L 2 t -2 T -1 ] •
当辐射物体是 -------------- 时，辐射力是任何方向上定向辐射强度的 -------- 倍。漫辐射表面 , Л
•
强制对流换热的准数方程形式为 -----------------.Nu=f(Re,Pr) •
描述流体运动方法有 ------------- 和 ------------------ 两种方法 . 拉氏法 , 欧拉法 •
对于一个稳态的流动传热现象而言 , 其准数方程式可表示为 ------------------. Nu=f(Re,Pr,Gr) •
自然对流换热的准数方程式可表示为 ------------------. Nu=f(Pr,Gr) •
热辐射过程中涉及到的三种理想物体有 ---------------. 黑体 , 透明体 , 镜体 •
实际上大部分工程材料在 ---------------- 范围内 , 都表现出灰体性质 . 红外线 •
善于发射的物体同时也善于 -----------. 吸收
•
角系数是一个与 ---------------------- 有关的纯几何量 . 辐射物体的尺寸 , 空间位置 •
实际物体的辐射力与 ------------ 的比值恒等于 ----------- 的黑体的辐射力 . 辐射来自于黑体的吸收率 , 同温度下
•
灰体与其他物体辐射换热时 , 首先要克服 ----------- 达到节点 , 而后再克服 ---------- 进行辐射换热 . 表面热阻 , 空间热阻
•
黑体的有效辐射就是 ---------. 黑体的自身辐射
•
为增加辐射换热系统的换热量 , 可通过 ------ 辐射换热物体表面的黑度来实现 . 增加 •
对流流动传质的准数方程为 -----------------------.Sh=f(Re,Sc)
判断并改错 :
•
只有管外径小于临界绝热直径时，铺设绝热层才能使热损失减小。 ( ⅹ ) •
热辐射和流体对流及导热一样，需有温差才能发射辐射能。 ( ⅹ )
•
通过圆筒壁的一维稳态导热时，单位面积上的热流密度是处处相等的。( ⅹ ) •
导温系数仅出现在非稳态热量传输过程中 , 导温系数越大 , 物体内各处温度越不均匀 ( ⅹ ). •
热量传输一般有导热 , 热对流及热辐射三种基本形式 . ( √ ). •
水平热壁面朝上布置时比朝下时的对流换热量大 ( √ ). •
流体的物性参数μ愈小 , λ愈大 , 流体对流换热能力愈大 ( √ ). •
紊流运动粘度ε m 与流体运动粘度υ都是流体的物性参数 , 与 Re 和紊流程度有关 . ( ⅹ ). • Pr t = ε m / ε h , 紊流的普朗特数不表示流体的物性参数 , 表示紊流时热量和动量传递过程的程度和状态 ( √ ). •
两物体之间的辐射换热必须通过中间介质才能进行 , 且热辐射过程中伴随着能量形式的二次转化 ( ⅹ ). •
金属表面在空气中被氧化后 , 在相同温度下 , 其辐射能力比原来争强了 ( √ ). •
与黑体一样 , 灰体也是一种理想物体 , 只是在数值上与黑体成折扣关系 ( √ ). •
同温度下 , 物体辐射力越大 , 其吸收率越小 ( ⅹ ). •
角系数描述的是物体的空间位置和几何形状对辐射换热的影响 , 并与辐射物体本身的特性和温度有关 ( ⅹ ). •
当系统处于热平衡时 , 灰体的有效辐射等于同温度下的黑体辐射 , 并与灰体的表面黑度有关 ( ⅹ ). •
当一铸件在车间内加热时 , 其辐射换热量的大小与车间大小有关 ( ⅹ ). •
当一铸件在车间内加热时 , 其辐射换热量的大小取决于铸件面积和本身黑度 . ( √ ).
问答题 :
•
热量传输有哪几种基本方式? •
温度场有哪几种表示方法?
•
能量微分方程的几种形式均用于哪些条件? •
导温系数表达式及物理意义? •
何谓单值性条件?包括哪些? •
边界条件分为哪几类?各自数学描述?
•
通过平壁的一维稳态导热数学描述及第一;三边界条件数学描述?温度分布?热流密度?(单;多层 ; λ 为常 ; 变量时)
•
通过圆筒壁的一维稳态导热数学描述及第一;三边界条件数学描述?温度分布?热流密度?(单;多层)
•
热阻有何应用?推导临界直径公式并分析影响临界直径的因素 ?
答 : ⒈ 热阻的应用 : ⑴ 利用热阻可将某些热量传输问题转换成相应的模拟电路来分析 .
⑵ 分析热阻组成 , 弄清各个环节的热阻在总热阻中所占的地位 , 能有效地抓住过程的主要矛盾 .
⒉ 公式推导 : 已知一管道的内径为 d 1 外径为 d 2 , 设在管道外面包一层绝缘层 , 其直径为 d x, 圆筒内为热流体其对流换热系数为 α 1 , 穿越筒壁向外冷流体 ( 对流换热系数为 α 2 ) 散热 . 此时单位管长的总热阻 :
r ∑ 仅是 d x 的函数 , 只与划线部分的热阻有关 . 通过分析得知 , r ∑ 与 d x 间存在极值 .
r ∑ 取得极值的条件是 其中 d c 为临界绝热层直径
此时管道向外散热最多 .
∴当 d x =d c 时 ,r ∑ 为极小值 .
分析影响临界直径的因素 : 当 d x ≥ d c 时 , 敷设绝热层会使散热减少 . d c 与 λ x 有关 , 可通过选用不同绝热材料改变 d c 值 .
•
何谓薄材?厚材?如何判别?
•
集总系统导热特点?数学描述?温度分布及瞬时热流量? • Bi 及 Fo 定义式及物理意义?
答 :
物理意义 : 物体内部热阻与外部热阻之比 .
•
求解对流给热系数的方法有哪几种 ? •
影响对流换热系数的因素有哪些?如何作用? •
求解对流换热系数的基本方法是什么? •
边界层微分方程求解 α 思路是什么? 边界层微分方程求解 α 思路 : Ⅰ Ⅱ Ⅲ Ⅳ
由 Ⅰ 式和 Ⅱ 式求解流场的速度分布得 V X ,V Y , 代入 Ⅲ 式得温度场的分布 T, 再求温度梯度代入 Ⅳ 式求得 α 值 . •
类比法求解 α 思路 ? 推导过程 ? •
试比较类比法和边界层微分方程组法 ? 答 : 边界层微分方程组法只能求解绕流平板的边界层内的层流问题 , 计算较烦 . 类比法即适用于边界层内也适用于边界层外 , 还适用于圆管内的流动 , 即适用于层流也 适用于紊流 . 且推导和计算也较方便 .
•
建立动量边界层和热量边界层厚度受那些因素的影响 ? •
建立动量传递和热量传递的目的是什么 ? 类比解推导过程 ?
答 : ⒈ 建立动量传递和热量传递的目的 :
⑴ 认为动量热量 ; 传递规律是类同的 , 用数学式子把两现象联系起来 .
⑵ 用已由理论分析或实测得到的阻力规律 C F 来求解换热规律α层流中 :
紊流中 : 当 P r =1 时 , C p = 此二式相同 . 即也是雷诺类比解成立的条件 . •
试说明 Nu;Pr 及 Gr 的物理意义及定义式 ? 答 : 努谢尔特准数 Nu 定义式 : 热量传递的比较 . 反映了对流换热的强度 .
物理意义 : 表示实际流体热量传递与导热分子
普朗特准数 Pr 定义式 : 物理意义 : 反映了动量扩散与热量扩散的相对大小 . 格拉晓夫准数 Gr 定义式 :
滞力的乘积得到的 .
物理意义 : 是由浮升力 / 粘滞力和惯性力 / 粘
•
流动边界层 ; 温度边界层 ; 层流底层 ; 紊流边界层定义及边界层特性 ? •
热辐射定义及其特点是什么 ? 其波长主要集中在哪些波长范围内 ? •
黑体概念及研究黑体的意义是什么 ? 辐射力 ; 单色辐射力 ; 立体角及定向辐射力和辐射强度的概念有何区别 ? •
黑体辐射的基本规律有哪几个 ? 都分别揭示了哪些规律 ? •
什么是物体表面的吸收率 ; 反射率和透过率 ? •
什么是绝对黑体 ; 白体和透明体 ? •
试说明兰贝特定律的几种表达形式及适用条件 ? •
什么是物体表面的黑度 ? 受哪些因素影响 ? •
什么是灰体 ? 有何特性 ? •
实际物体的辐射特性与灰体有何不同 ? •
什么基尔霍夫定律 ? 它的适用条件是什么 ? •
什么是辐射角系数 ? 它有什么性质 ? •
两面 ; 三面封闭系统角系数的基本计算方法及线交叉法计算任意两面间的角系数的方法 ? •
什么是有效辐射和净辐射热流密度 ? •
试汇出由两面或三面灰体组成的封闭系统的辐射网络图 ? •
试列出三面灰体组成的封闭系统各面有效辐射的方程式 ?
•
什么是重辐射面 ? 它有什么特点 ? •
试汇出具有辐射绝热面的三面辐射系统的网络图 ? •
在两面平行板间的换热系统中间加一块与平板黑度相同的遮热板时 , 两面间辐射换热减少多少 ? 并会出辐射网络图 . •
传质概念及分子扩散传质和对流扩散传质定义 ? •
二种传质方式的传质量基本计算公式 ? •
质量传输平衡法方程式及简化形式和单值性条件 ? •
分之扩散传质中 , 气体通过间壁的扩散通量 ; 金属园管的扩散通量及静止介质中通过半无限大物体的浓度分布和传质通量 ? •
分子扩散传质系数 D 的影响因素有哪些 ? •
对流流动传质模型有哪几种 ? •
层流 ; 紊流流动时各自的浓度分布及平均传质系数准数方程形式 ? •
流体通过单个球体及流过填充床时的传质系数计算公式 ? •
流体在园管内流动时的传质计算 ? •
动量与热量比拟解 ( 雷诺 ; 柯尔朋 )? •
动量与质量比拟解 ( 雷诺 ; 柯尔朋 )? •
类比关系准数有哪些各准数间关系怎样 ? •
动量边界层 ; 热量边界层和质量边界层间类比关系怎样 ? 计算题 :
1 有一直径为 5cm 的钢球，初始温度为 450 ℃，将其突然置于温度为 30 ℃空气中，设钢球表面与周围环境间的总换热系数为 24w/( m 2 . ℃ ) ，试计算钢球冷却到 300 ℃所需的时间。已知钢球的 c =0.48kJ/(kg.. ℃ ) , ρ =7753kg/m 3 , λ =33w/(m.. ℃ ). ( 8 分)
解 : 先验算 Bi 准数 , 钢球的特征尺寸为 :
故可以按薄材加热处理 .
∴τ =57.0s=0.158h
2 具有内热源并均匀分布的平壁，壁厚为2 S ，假定平壁的长宽远大于壁厚，平壁两表面温度恒为 t w ，内热源强度为 q v ，平壁材料的导热系数为常数，试推出稳态导热时，平壁内的温度分布和中心温度。10分
解 : 因平壁的场 , 宽远大于厚度 , 故此平壁的导热可认为是一维稳态导热 .
导热微分方程为 :
边界条件为 : x=s ,t=t w
x=-s , t=t ∞
求解上述微分方程 , 得
由边界条件确定积分常数 :
∴ 平壁内的温度分布 :
当 X=0, 则得平壁中心温度 :
3. 将初始温度为 80 ℃ , 直径为 20mm 的紫铜棒突然横置于气温为 20 ℃ , 流速为 12m/s 的风道之中 , 五分钟后 , 紫铜棒温度降到 34 ℃ . 试计算气体与紫铜棒之间的换热系数α .
已知紫铜棒密度ρ =8954kg/m 3 , 比热 C=383.1J/(kg ·℃ ), 导热系数λ =386W/(m ·℃ )
解 : 先假定可以用集总系统法分析紫铜棒的散热过程
其中 τ =5 × 60=300s
验算 Bi:
4. 一蒸汽管道 , 内 , 外径分别为 150mm 和 159mm. 为了减少热损失 , 在管外包有三层保温材料 : 内层为λ 2 =0.11, 厚δ 2 =5mm 的石棉白云石 ; 中间为λ 3 =0.1, 厚δ 3 =80mm 的石棉白云石互状预制板 ; 外壳为λ 4 =0.14, 厚δ 4 =5mm 的石棉硅藻土灰泥 ; 钢管壁的λ 1 =52, 管内表面和保温层外表面的温度分别为 170 ℃和 30 ℃ . 求该蒸汽管每米管长的散热量 ?
解 : 已知 d 1 =0.15m, d 2 =0.159m, d 3 =0.169m, d 4 =0.339m
各层每米管长热阻分别为 :
⑴ 管壁 :
⑵ 石棉内层 :
⑶
石棉预制瓦 :
⑷ 灰泥外壳 :
蒸汽管道每米长散热量为
5. 压力为 1.013bar,20 ℃空气以速度 V=35m/s 掠过平板 , 板长 L=70cm, 壁面温度 t w =60 ℃ , 试求该板的换热系数及换热量 ( 板宽按 1m 计算 )? 已知 :40 ℃空气物性参数为 : λ =0.0271W/m ·℃ υ =16.97 × 10 -6 m 2 /s Pr=0.711
解 : 按壁面与流体温度的算术平均值做为定性温度确定物性 :
查附录 得空气物性为 : λ =0.0271w/m ℃ υ =16.97 × 10 -6 m 2 /s Pr=0.711
则
对于紊流纵掠平板时 , 局部摩擦系数为 :
∴为紊流
6.20 ℃的空气在常压下以 10m/s 的速度流过平板 , 板面温度 t w =60 ℃ , 求距前缘 200mm 处的速度边界层和温度边界层以及α x, α和单宽换热量 , 再用类比法求局部摩擦系数 C f.
已知 :40 ℃空气物性参数为 : λ =0.0271W/m ·℃ υ =16.97 × 10 -6 m 2 /s Pr=0.711 ρ =1.127kg/m 3 C p =1.009 × 10 3 J/kg ·℃
解 : 边界层内空气的定性温度 :
由题已知 40 ℃空气物性参数为 : λ =0.0271W/m ·℃ υ =16.97 × 10 -6 m 2 /s Pr=0.711
∴为层流边界层 .
则
局部换热系数 :
单位宽度的换热量 :
40 ℃空气物性参数为 : ρ =1.127kg/m 3 C p =1.009 × 10 3 J/kg ·℃
7. 两平行大平板间的辐射换热 , 平板的黑度各为 0.5 和 0.8, 如果中间加进一块铝箔遮热板 , 其黑度为 0.05, 试计算辐射热减少的百分率 ? 并画出辐射网络图 .
解 : 未加遮热板时 , 两大平板单位面积间的辐射换热量为 :
设置遮热板后 :
加入遮热板后的辐射换热量减少的百分率为 :
8. 有两平行黑体表面 , 相距很近 , 他们的温度分别为 1000 ℃与 500 ℃ , 试计算它们的辐射换热量 , 如果是灰体表面 , 黑度分别为 0.8 和 0.5, 它们间的辐射换热量是多少 ?
解 : 两黑体表面间的辐射换热量是 :
两灰体表面间的辐射换热量是 :
9. 两个互相平行且相距很近的大平面 , 已知 t 1 =527 ℃ , t 2 =27 ℃ , 其黑度ε 1 = ε 2 =0.8, 若两表面间按放一块黑度为ε p =0.05 的铝箔遮热板 , 设铝箔两边温度相同 , 试求辐射换热量为未加隔热板时的多少成 ? 若隔热板的黑度为 0.8, 辐射换热量又为多少 ?
解 : 未加遮热板时 , 两大平板间的辐射换热量为 :
设置遮热板后 :
10. 有两个平行钢板 , 温度各保持 t 1 =527 ℃ , t 2 =27 ℃ , 其黑度ε 1 = ε 2 =0.8, 两钢板间的距离比起钢板的宽和高相对很小 , 试求这两块钢板的自身辐射 , 有效辐射 , 净辐射热流 , 反射辐射 , 投射辐射和吸收辐射热流 ?
解 : 两大平板间的辐射换热量为 :
处于热平衡时 :
自身辐射 :
有效辐射 :
反射辐射 : R 1 G=J 1 -E 1 =19430-18579.4=850.56w/m 2
总投入辐射 :
11 .已知平板稳流边界层内的速度分布为 ，并有
及 n =1/9, , 试推导出边界层厚度的计算式。
解：由湍流圆管内的知识可知
当
时，光滑管中的湍流流动的近似 1/9
又∵ 以 代替 ，以 代替
∴
( 1-1 )
又∵ ( 1-2 )
将( 1-1 )和( 1-2 )代入边界层动量积分方程：
= ( 1-3 )
又∵
代入( 1-3 )得
分离变量积分得：
∵
∴
∴
12. 已知平板层流边界层内的速度解
式 . 层流边界层动量积分方程
试导出边界层厚度和摩擦阻力系数的公
.
解：由层流的边界层动量积分方程可知：
( 1-1 )式
y=0 ( 1-2 )式
又 ∵ y=0 =
=
带入 1-2 式得：
分离变量积分得：
∴
F Δ = =0 。 738
C f =
=1.46Re l -1/2
实验证伪
36-1.小刚在家中照镜子发现，离镜子远些的物体的像看起来较小，离镜子近些的物体的像看起来较大，由此他认为：物体在平面镜中所成的像的大小与物体到平面镜的距离有关,物体距离平面镜越远像越小,物体距离平面镜越近像越大。请你利用身边的物品或实验器材设计一个实验，说明小刚的结论是不正确的。(1)写出你选用的物品或实验器材： (2)简述实验过程及实验现象：
36-2.在探究大气压是否存在的实验中，李老师用一次性纸杯装满水，用硬纸板盖住杯口，倒置过来，如图24所示。发现硬纸板不掉，水也不从杯中流出。李老师解释：硬纸板不掉是因为大气压的作用。可是小娅同学认为，纸板不掉是因为水粘住了纸板的缘故。你能否在此实验的基础上，进一步实验(可补充辅助工具)来消除这种疑问，请简述实验过程。(3分)
36-3.请你利用一支激光笔和一个固定在教室中的大屏幕，再添加一件身边常见的物品，用............对比的方法设计一个实验证明：“光在空气中是沿直线传播的”。(实验要注意安全并具有可操作性)
(1)添加的实验器材：
(2)实验步骤：
(3)分析与结论：
35. 小华照镜子时发现，当他离镜子较近时看到镜子里的像大些，离镜子较远时看到镜子里的像小些。小华得出结论：物体在平面镜里成像的大小跟物体到平面镜的距离有关。请你利用身边的物品或实验器材设计一个实验，说明小华的结论是不正确的。
(1)写出你选用的物品或实验器材：
(2)简述实验过程及实验现象：
(1)添加的实验器材：可弯曲的吸管 „„(1分)
(2)实验方法：
①将打开的激光笔正对着直吸管的管口，并将吸管的另一管口对准大屏幕，观察大屏幕上是否出现亮斑;„„(1分)
②保持上述方法，只将吸管弯曲，观察大屏幕上是否出现亮斑。„„(1分)
(3)分析与结论：当打开的激光笔正对着直吸管的管口时，观察到大屏幕上出现亮斑;当吸管弯曲时，观察到大屏幕上没有出现亮斑，由此可知光在空气中是沿直线传播的。
36-1.在透明塑料袋中滴入几滴酒精，将袋挤瘪，尽量排出空气后用绳把口扎紧，然后放入80℃的热水中，看到塑料袋鼓起来了。小红认为是酒精汽化造成的，小阳则认为是塑料袋中未排尽的空气受热膨胀造成的。请你用实验的方法证明小阳的认识是不对的。(3分)
36-2.小林用纸杯、塑料片和水做实验。他将纸杯装满水，用塑料片把杯口盖严，一只手按住塑料片，另一只手抓住杯底，在空中将纸杯倒过来。移开按塑料片的手后，他发现塑料片和杯子里的水都不落下来，如图23所示。小林对这一现象的解释是：塑料片和杯子里的水都不落下来是由于塑料片被水粘住了，与大气压无关。请你利用上述器材再补充必要的辅助器材，设计一个实验证明小林的解释是错误的。请你写出实验步骤和实验现象。
36-3.小明在家中照镜子发现，离镜子远些的物体的像看起来较小，离镜子近些的物体的像
看起来较大，由此他认为：物体在平面镜中所成的像的大小与物体到平面镜的距离有关,物体距离平面镜越远像越小,物体距离平面镜越近像越大。请你利用身边的物品或实验器材设计一个实验，说明小刚的结论是不正确的。
(1)写出你选用的物品或实验器材;
(2)简述实验过程及实验现象。(3分)
36-4.夏天，将一罐可乐从冰箱中取出后放在桌面上，过一会儿可乐罐的外表面上会出现一
些小水珠，李明认为这些小水珠是从可乐罐中渗出来的，请你自选器材，设计一个实验证明李明的观点是错误的。要求写出：(1)实验器材，(2)实验步骤和实验现象。(3分)
36-1实验方法：将塑料袋挤瘪，尽量排出空气(1分)
排出空气后把口扎紧，放入盛有80℃的热水中(1分)
发现塑料袋鼓起来不多，由此说明小阳的认识是不对的。(1分)
36-2先用铁钉在纸杯底部扎一个孔。用手指堵住杯底的孔，将纸杯装满水后用塑料片将杯口盖严，用另一只手按住塑料片将纸杯倒置，移开按住塑料片的手，观察到塑料片和杯子里的水都不落下来。然后，放开堵住孔的手指，发现塑料片和杯子里的水都马上落下来。
36-3(1)实验器材：两根完全相同的蜡烛，一块平面薄玻璃板，火柴(1分)
(2)实验过程和现象：
①将玻璃板竖直放在水平桌面上，将一支蜡烛点燃，固定在平面玻璃前，
将另一支未点燃的蜡烛放在玻璃板后面，使之与点燃蜡烛的像重合;(1分)
② 再使点燃的蜡烛远离玻璃板，仍可使未点燃的蜡烛与点燃蜡烛的像重合，
从而证明小刚的说法是不正确的。(1分)
(其他答案正确均可得分)
36-4(1)器材：天平、装有饮料的可乐罐、干布或毛巾(1分)
(2)实验步骤和实验现象：先用天平称出刚取出的可乐罐的质量m1,过一段时间后，用抹布把可乐罐外的水抹去，再用天平称出可乐罐的质量m2，如果m1=m2，则水不是从罐内渗出的，即李明的观点是错误的(其它意思表述均可)。(2分)
36-5.夏天扇扇子时感觉身体凉爽。李明认为这是扇扇子使人体周围空气的温降低了。请你自选器材，设计一个实验证明小明的想法是错误的。要求写出：(1)实验器材，(2)实验步骤和实验现象分析。(3分)
(1)实验器材：两支相同的温度计、电扇(1分)。
(2)实验步骤和实验现象分析：
拿两支相同的温度计，用电扇吹，观察两支温度计的示数都没有发生变化，说明温度计周围空气的温度并没有降低(1分)。所以，扇扇子使人体周围空气的温降低了的说法是错误的(1分)。
34.小华照镜子时发现，当他离镜子较近时看到镜子里的像比离境子较远时看到镜子里
的像大些。小华得出结论：物体在平面镜里成像的大小跟物体到平面镜的距离有关。请你利用身边的物品或实验器材设计一个实验，说明小华的结论是不正确的。
(1)写出你选用的物品或实验器材
(2)简述实验过程及实验现象
(1)透明玻璃一块，固定透明玻璃的支架一个，大小相同的蜡烛两个，火柴。(1分)
(2)实验过程及现象：将透明玻璃板固定在支架上，再把透明玻璃板垂直于水平桌面放置，把点燃蜡烛垂直桌面放在玻璃板前面适当位置，在透明玻璃板后面燃烧的蜡烛像的位置，垂直放置另一根未点燃的蜡烛，当它们重合时，未点燃的蜡烛好像也在燃烧，这说明蜡烛的像和蜡烛是等大的;把燃烧的蜡烛远离透明玻璃板一些，重复上述操作，又看到未点燃的蜡烛与燃烧的蜡烛像重合，这又说明蜡烛的像和蜡烛是等大的。通过以上实验现象说明，物体在平面镜里成像的大小跟物体到平面镜的距离无关。
(1)在实验室里，三个实验小组同学分别用各自的器材测得水的沸点为97℃、93℃、102℃;小文同学猜想导致这种现象的原因是各组用的温度计有偏差。设计一个简单的实验验证这种猜想。
(2)小文发现有一支温度计上的刻度线不清晰，需要重新标识。 写出他的实验操作步骤。
经常被称为热科学的工程领域包括热力学和传热学.传热学的作用是利用可以预测能量传递速率的一些定律去补充热力学分析，因后裔只讨论在平衡状态下的系统.这些附加的定律足以3种基本的传热方式为基础的，即导热、对流和辐射。 传热学是研究不同温度的物体，或同一物体的不同部分之间热量传递规律的学科。传热不仅是常见的自然现象，而且广泛存在于工程技术领域。例如，提高 热管热传递速率曲线图锅炉的蒸汽产量，防止燃气轮机燃烧室过热、减小内燃机气缸和曲轴的热应力、确定换热器的传热面积和控制热加工时零件的变形等，都是典型的传热问题。
就学科而言，传热学是偏于数学理论的，公式繁杂冗长，仅仅是求解结果看起来就已经是十分头痛了，更别说求解过程，初看起来只能是望洋兴叹、望而却步，经过本科阶段的学习，大体就是这么一个映像，然而随着学习的深入以及研究生阶段注重求解过程和求解方法的讲解，传热学开始变得简单了，特别是赵老师通俗易懂、深入浅出的讲解，很多复杂的传热问题可以简化、假设，最终归结为求解偏微分方程。求解标准解一段尤为精彩，无限大区间的一维非稳态导热问题，任意内热源，任意初始温度，由于傅立叶变换是无限大区间的积分变换，因此很适合求解这类问题，最终导出了这类问题的标准解，这一标准解用途十分广泛，许多一维非稳态导热问题都可以从这个解直接导出，通过引入狄拉克函数还可以把定常热流问题转换为内热源，可谓是一个万能的标准公式。能将如此繁杂的问题运用数学手段求出绝对精确的解，细细体会求解过程，实在是妙不可言，异彩纷呈啊!
同时希望赵老师讲课能够幽默风趣些，这样就可以令课堂十分活跃，大大激发了同学们的热情，让课堂变成了对话式、交流式，活跃了学生的思维，让枯燥的传热变得生动起来了。另外我们留学生的汉语不太好希望赵老师能够讲课更清晰些。
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