余德洋 楊明濤

摘?要：“傳熱學(xué)”課程是各級(jí)院校開設(shè)建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)所必設(shè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)理論課。如何編制“傳熱學(xué)”課程教學(xué)大綱，促進(jìn)建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)建設(shè)是本專業(yè)教師面臨的重要問題。本文以應(yīng)用型本科院校為例，從課程性質(zhì)、課程目標(biāo)、課程內(nèi)容、課程安排和課程實(shí)施建議五個(gè)方面詳細(xì)論述針對(duì)目前應(yīng)用型本科院校的傳熱課程學(xué)習(xí)情況，如何制定“傳熱學(xué)”課程大綱。

關(guān)鍵詞：傳熱學(xué);導(dǎo)熱;對(duì)流換熱;輻射換熱

“傳熱學(xué)”是研究熱量傳遞規(guī)律的工程技術(shù)科學(xué)，其不僅為建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)的學(xué)生學(xué)習(xí)有關(guān)專業(yè)課提供基本的和必備的理論知識(shí)，而且也為該專業(yè)學(xué)生今后在工程中能夠合理有效利用熱能和提高熱力設(shè)備效率等工作，打下必要的基礎(chǔ)[1]。因此，做好“傳熱學(xué)”課程的教學(xué)，是一件極為重要的工作。編制合理的課程教學(xué)大綱不僅可保證教學(xué)計(jì)劃的順利實(shí)施，而且對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)該門課程具有指導(dǎo)性作用[2-3]。筆者根據(jù)當(dāng)前應(yīng)用型普通本科院校實(shí)際情況和傳熱技術(shù)發(fā)展水平，對(duì)如何編制“傳熱學(xué)”這門課程的教學(xué)大綱進(jìn)行了討論。并且在文中提出了幾點(diǎn)合理化建議，以便更有效地組織實(shí)施“傳熱學(xué)”課程的教學(xué)。

1 課程性質(zhì)

“傳熱學(xué)”是建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課[4]，在本專業(yè)課程體系里發(fā)揮著承先啟后的重要作用，通過該課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生掌握傳熱學(xué)的基本理論知識(shí)和基本原理，樹立培養(yǎng)學(xué)生的工程意識(shí)和工程實(shí)踐能力，運(yùn)用傳熱學(xué)知識(shí)分析實(shí)際工程問題中起作用的熱量傳遞方式，選擇合理的方法計(jì)算工程問題中的換熱量以及溫度分布，并能夠針對(duì)實(shí)際工程問題中的傳熱過程進(jìn)行削弱或強(qiáng)化?！皞鳠釋W(xué)”課程教學(xué)大綱的編制應(yīng)該結(jié)合不同學(xué)校、不同專業(yè)教學(xué)實(shí)際情況和學(xué)生專業(yè)基礎(chǔ)水平。

2 課程目標(biāo)

學(xué)校層次的不同，傳熱學(xué)的課程目標(biāo)的側(cè)重點(diǎn)也會(huì)有所不同。應(yīng)用型本科院?！皞鳠釋W(xué)”課程的授課目標(biāo)首先要使學(xué)生熟知傳熱學(xué)的基本概念，能夠區(qū)分和運(yùn)用專業(yè)術(shù)語進(jìn)行簡單有效的學(xué)術(shù)交流?；靖拍钍莻鳠釋W(xué)入門所必須要理解和掌握的，這對(duì)于學(xué)生進(jìn)一步學(xué)習(xí)和掌握傳熱學(xué)的知識(shí)非常關(guān)鍵。其次，要使學(xué)生理解傳熱學(xué)中的所有基本原理和主要公式，能夠?qū)⑺鶎W(xué)理論和工程實(shí)踐相結(jié)合，應(yīng)用不同的定律、原理和公式，對(duì)實(shí)際工程中的具體傳熱問題進(jìn)行定性以及定量的分析。再次，要使學(xué)生熟悉不同類型的間壁式換熱器結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)計(jì)算原理，并且能夠運(yùn)用所學(xué)的傳熱知識(shí)針對(duì)簡單的換熱器進(jìn)行設(shè)計(jì)以及校核計(jì)算。上述傳熱學(xué)的課程目標(biāo)比較符合應(yīng)用型本科院校的就業(yè)定位。

3 課程內(nèi)容

“傳熱學(xué)”課程內(nèi)容主要分為十二個(gè)部分，分別是：（1）緒論;（2）導(dǎo)熱理論基礎(chǔ);（3）穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱;（4）非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱;（5）導(dǎo)熱數(shù)值解法基礎(chǔ);（6）對(duì)流傳熱分析;（7）單相流體對(duì)流傳熱;（8）凝結(jié)與沸騰傳熱;（9）熱輻射的基本定律;（10）輻射傳熱計(jì)算;（11）傳熱和換熱器;（12）課程思政。

3.1 緒論

緒論設(shè)置的目的主要是讓學(xué)生能夠?qū)唵蝹鳠釂栴}進(jìn)行計(jì)算，能分析工程實(shí)際的傳熱問題有哪些熱量傳遞方式和環(huán)節(jié)。緒論對(duì)全書的內(nèi)容只是作了初步的概括，但沒有作深入討論。

3.2 導(dǎo)熱理論基礎(chǔ)

這部分內(nèi)容設(shè)置的目的主要是讓學(xué)生掌握傅里葉導(dǎo)熱定律、建立導(dǎo)熱問題所對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)微分方程及對(duì)應(yīng)的求解方法、邊界條件的處理，從而為后續(xù)的導(dǎo)熱計(jì)算以及建立導(dǎo)熱數(shù)學(xué)模型打下基礎(chǔ)。而溫度場，溫度梯度，熱流量與熱流密度，導(dǎo)熱系數(shù)與導(dǎo)溫系數(shù)等概念的講解對(duì)于理解導(dǎo)熱過程及其計(jì)算是必不可少的。

3.3 穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱

通過穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱內(nèi)容的講解，使學(xué)生具有解決以下問題的能力。能夠?qū)ζ奖?、圓筒壁以及肋壁等幾種典型形狀物體的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題用數(shù)學(xué)方法計(jì)算，確定這些物體內(nèi)部的溫度場和通過的傳熱量;掌握利用熱阻分析的方法分析工程實(shí)踐中的穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題，能夠處理導(dǎo)熱系數(shù)變化所帶來的影響，以及利用肋片導(dǎo)熱的特點(diǎn)來強(qiáng)化工程實(shí)踐中的傳熱過程。

3.4 非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱

通過本章的學(xué)習(xí)，學(xué)生能夠針對(duì)無限大平壁、半無限大物體、無限長圓柱體及球體等物體的瞬態(tài)導(dǎo)熱問題進(jìn)行分析，得出其微分控制方程和單值條件（數(shù)學(xué)描述）;利用上述典型形狀非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題解的結(jié)果對(duì)工程實(shí)踐中的問題進(jìn)行數(shù)學(xué)分析計(jì)算;掌握利用集中參數(shù)法計(jì)算分析特殊的瞬態(tài)導(dǎo)熱問題;利用時(shí)間常數(shù)的概念求解非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題;能夠?qū)σ痪S非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的分析解進(jìn)行討論;會(huì)運(yùn)用諾謨圖（海斯勒?qǐng)D）解決瞬態(tài)導(dǎo)熱問題;學(xué)會(huì)運(yùn)用乘積解法來求解二維以及多維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱問題。

3.5 導(dǎo)熱數(shù)值解法基礎(chǔ)

導(dǎo)熱數(shù)值解法基礎(chǔ)部分的內(nèi)容主要包括數(shù)值求解導(dǎo)熱問題的技術(shù)路線、并以二維穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱以及一維非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱兩種類型物理問題作為例子，講解了運(yùn)用有限差分法對(duì)導(dǎo)熱問題進(jìn)行數(shù)值求解的基本過程。通過對(duì)導(dǎo)熱數(shù)值解法基礎(chǔ)內(nèi)容的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生掌握從熱力學(xué)第一定律出發(fā)建立代數(shù)離散方程的方法，并能夠?qū)σ央x散的代數(shù)方程組進(jìn)行迭代求解。

3.6 對(duì)流傳熱分析

通過本章內(nèi)容的學(xué)習(xí)，應(yīng)使學(xué)生了解影響對(duì)流換熱的因素，并理解每種影響因素的作用機(jī)理，掌握確定對(duì)流換熱系數(shù)的幾種方法，理解邊界層概念的物理機(jī)制。

3.7 單相流體對(duì)流傳熱

通過本章內(nèi)容的學(xué)習(xí)，不僅使學(xué)生能夠正確選擇實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)則方程求解不同類型單相對(duì)流傳熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)及其傳熱的熱流量，而且應(yīng)使學(xué)生能夠通過實(shí)驗(yàn)得到不同類型單相對(duì)流換熱的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的方法。

3.8 凝結(jié)與沸騰傳熱

完成這章內(nèi)容的學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)能夠定性地理解凝結(jié)和沸騰兩種存在相變對(duì)流換熱的特點(diǎn)、影響凝結(jié)和沸騰傳熱的因素及強(qiáng)化措施，尤其是膜狀凝結(jié)的影響因素和大容器飽和沸騰曲線。應(yīng)掌握豎壁、單管和管束的膜狀凝結(jié)傳熱的定量計(jì)算，以及大容器泡態(tài)沸騰及沸騰臨界點(diǎn)時(shí)的熱流密度計(jì)算。

3.9 熱輻射的基本定律

通過本章學(xué)習(xí)，學(xué)生應(yīng)熟悉熱輻射的一些特點(diǎn)，掌握熱輻射領(lǐng)域重要概念，理解并會(huì)運(yùn)用黑體輻射的幾個(gè)重要定律解決實(shí)際問題。掌握基爾霍夫定律的內(nèi)容以及它的應(yīng)用，了解黑體、白體、灰體、透明體以及實(shí)際物體之間的差異。

3.10 輻射傳熱計(jì)算

通過本章內(nèi)容的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生掌握角系數(shù)的概念和性質(zhì)，重點(diǎn)是掌握角系數(shù)的計(jì)算方法。還要求學(xué)生能夠熟練利用輻射網(wǎng)絡(luò)圖對(duì)由漫灰表面組成的封閉系統(tǒng)進(jìn)行輻射傳熱計(jì)算。理解遮熱板等強(qiáng)化和削弱輻射傳熱方法的原理及其應(yīng)用。

3.11 傳熱和換熱器

通過本章內(nèi)容的學(xué)習(xí)，要求學(xué)生能夠針對(duì)復(fù)合換熱問題熟練的進(jìn)行計(jì)算分析、理解傳熱過程的概念及對(duì)其進(jìn)行計(jì)算分析、理解臨界熱絕緣直徑的物理含義及計(jì)算方法、掌握計(jì)算對(duì)數(shù)平均溫差的方法、能夠掌握設(shè)計(jì)和校核間壁式換熱器的計(jì)算方法。

3.12 課程思政

為了全方位育人，專業(yè)課不僅要傳授知識(shí)，而且要對(duì)學(xué)生的人生價(jià)值觀進(jìn)行引領(lǐng)，需將以下思政元素融合進(jìn)傳熱學(xué)的教學(xué)內(nèi)容。

（1）科技報(bào)國的家國情懷。在第一節(jié)課介紹傳熱學(xué)應(yīng)用時(shí)，延伸到建筑節(jié)能、能源動(dòng)力以及航空航天等領(lǐng)域存在大量的傳熱問題，使同學(xué)們看到傳熱領(lǐng)域科技人員在國家發(fā)展過程中所起的積極作用，進(jìn)而更好地激發(fā)學(xué)生的愛國思想，努力學(xué)好專業(yè)知識(shí)，以便實(shí)現(xiàn)科技報(bào)國的家國情懷，為祖國的發(fā)展貢獻(xiàn)自己的一份力量。

（2）節(jié)能減排。在學(xué)習(xí)間壁式換熱器時(shí)，詳細(xì)闡述換熱器傳熱過程的強(qiáng)化與節(jié)能減排的關(guān)系。間壁式換熱器內(nèi)的傳熱過程由管壁導(dǎo)熱、管內(nèi)對(duì)流換熱以及管外對(duì)流換熱三個(gè)環(huán)節(jié)組成。根據(jù)換熱器的實(shí)際工況，可在管內(nèi)壁及外壁分別設(shè)置內(nèi)肋和外肋以提高管壁兩側(cè)的對(duì)流換熱，選用導(dǎo)熱系數(shù)高的管材以降低管壁的導(dǎo)熱熱阻。諸如上述強(qiáng)化措施可大大優(yōu)化換熱器的傳熱過程，從而節(jié)約換熱器的運(yùn)行能耗，降低因消耗能源引起的環(huán)保問題。通過這部分的講解，可使學(xué)生們理解傳熱學(xué)對(duì)于實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排的重大作用。

4 課時(shí)安排

“傳熱學(xué)”課程具體的學(xué)時(shí)建議安排可見下表。

5 教學(xué)實(shí)施建議

（1）傳熱學(xué)授課內(nèi)容結(jié)合日?，F(xiàn)象。當(dāng)前許多學(xué)生將自己不愛學(xué)習(xí)傳熱學(xué)的原因歸結(jié)為不明白傳熱學(xué)有什么作用，因而，在傳熱學(xué)學(xué)習(xí)過程中總是缺乏學(xué)習(xí)的熱情，在課堂上一直處于消極聽課，懶于主動(dòng)學(xué)習(xí)思考，最后學(xué)習(xí)效果總是不理想。針對(duì)這一現(xiàn)象，建議在今后的教學(xué)中注重將傳熱學(xué)知識(shí)點(diǎn)與日?，F(xiàn)象和工程實(shí)踐結(jié)合起來。例如，在講授有相變的對(duì)流換熱和單相無相變的對(duì)流換熱時(shí)，如只按照課本內(nèi)容給出上述兩個(gè)概念的敘述，則會(huì)使學(xué)生感覺枯燥乏味，因此，為了使學(xué)生對(duì)相變傳熱和單相無相變傳熱這兩種物理現(xiàn)象有比較深刻的理解，在給出概念后，應(yīng)緊接著提出日常生活中人在做劇烈運(yùn)動(dòng)后的散熱現(xiàn)象。如人在做劇烈運(yùn)動(dòng)后，體內(nèi)產(chǎn)生大量的熱，此時(shí)人體如不能出汗，人體皮膚和大氣間的對(duì)流換熱處于無相變對(duì)流換熱時(shí)，傳熱速率小，人體內(nèi)的熱量來不及向環(huán)境釋放，則人體會(huì)越來越難受。但正常情況下，劇烈運(yùn)動(dòng)會(huì)引起人體出汗，汗液在皮膚表面蒸發(fā)，汗液蒸發(fā)所需的氣化潛熱來自人體，隨著汗液蒸發(fā)，從而加快人體的散熱速率。通過上述例子可使學(xué)生比較直觀理解相變傳熱與無相變傳熱在傳熱速率上的區(qū)別。

（2）弱化傳熱公式的推導(dǎo)，強(qiáng)化對(duì)公式的應(yīng)用。眾所周知，傳熱學(xué)難度大，涉及許多的公式推導(dǎo)，推導(dǎo)公式需用微積分和微分方程組等數(shù)學(xué)知識(shí)，因而增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的難度。針對(duì)這一問題，建議在教學(xué)過程中弱化公式的推導(dǎo)，重點(diǎn)培養(yǎng)學(xué)生利用傳熱公式解決問題的能力。

（3）設(shè)置合理的問題，引導(dǎo)學(xué)生主動(dòng)探索學(xué)習(xí)。在學(xué)習(xí)新內(nèi)容前，可通過設(shè)置一些問題，使學(xué)生們有目的地學(xué)習(xí)新知識(shí)。如在學(xué)習(xí)臨界絕緣直徑部分內(nèi)容時(shí)可事先提示學(xué)生以下內(nèi)容：隨著包裹在管外壁（管道置于空氣中）的保溫層厚度增加，管外側(cè)表面和空氣之間換熱面積增大，因而導(dǎo)熱熱阻會(huì)減小，所以管外壁上的保溫層厚度越大越利于管內(nèi)流體和管外空氣間的換熱;另一方面，隨著保溫層厚度的增加，其導(dǎo)熱熱阻也會(huì)相應(yīng)地增長，這又降低管內(nèi)流體和管外空氣間的換熱速率。在上述提示內(nèi)容的基礎(chǔ)上，提問學(xué)生管外壁上的保溫層厚度取多少能最大程度地減弱管內(nèi)外流體間的傳熱速率，并要求學(xué)生們掌握確定最佳保溫層厚度的數(shù)學(xué)方法。讓學(xué)生帶著目的學(xué)習(xí)，可起到事半功倍的效果。

6 結(jié)語

“傳熱學(xué)”課程對(duì)于深化建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)學(xué)生的理論基礎(chǔ)，更好地培養(yǎng)工科學(xué)生的創(chuàng)新思維具有重要的促進(jìn)作用。通過本門課程的學(xué)習(xí)，可以為今后的專業(yè)課學(xué)習(xí)打下堅(jiān)實(shí)的知識(shí)基礎(chǔ)，也為建能專業(yè)學(xué)生今后工作和研究指明了方向，例如通過采取合理的強(qiáng)化傳熱或抑制傳熱的方法，實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排。該課程教學(xué)大綱正是基于以上教學(xué)目的進(jìn)行撰寫的，可以規(guī)范任課教師更有效地指導(dǎo)學(xué)生學(xué)習(xí)“傳熱學(xué)”課程。

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作者簡介：余德洋（1973—?），男，江蘇興化人，碩士，研究方向：傳熱與熱質(zhì)交換課程建設(shè)。