應(yīng)用型安全工程專業(yè)《傳熱學(xué)》課程教學(xué)初探

逯田力　高德營

【摘 要】根據(jù)傳熱學(xué)課程知識點(diǎn)多，內(nèi)容抽象，應(yīng)用性強(qiáng)的特點(diǎn)，本文從四方面對傳熱學(xué)內(nèi)容進(jìn)行講解，對每一塊內(nèi)容的重要知識點(diǎn)進(jìn)行了歸納總結(jié)及討論了學(xué)習(xí)時的方法。

【關(guān)鍵詞】熱傳導(dǎo)；對流換熱；輻射換熱；換熱器

0 引言

傳熱學(xué)是安全工程專業(yè)的一門必修課程，講述的是與熱量傳遞相關(guān)的自然現(xiàn)象及研究熱量傳遞規(guī)律的一門學(xué)科，對于與熱相關(guān)的自然現(xiàn)象有很多，例如我們知道人的身體為恒溫體，在夏天和冬天，人們在相同室溫（比如25攝氏度）的房間里穿著衣服能一樣嗎？熱天人們?yōu)槭裁聪矚g在游泳館里的水里而不喜歡在相同溫度的空氣里？ 這都是在日常生活中常見的現(xiàn)象，對于這些現(xiàn)象的解釋就需要學(xué)習(xí)傳熱學(xué)的知識，需要知道熱量傳遞的規(guī)律。并且隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，與熱量傳遞相關(guān)的企業(yè)、公司越來越多，與熱量傳遞相關(guān)技術(shù)的發(fā)展也越來越快，基本上可以分為三種類型的技術(shù)[1]，即強(qiáng)化傳熱技術(shù)，削弱傳熱技術(shù)，溫度控制技術(shù)，上面的三種類型的技術(shù)代表著傳熱技術(shù)的三個方向，在相應(yīng)的領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，比如強(qiáng)化傳熱技術(shù)，現(xiàn)在的家用空調(diào)或者車載空調(diào)體積越來越小，所需的能量消耗也越來越低，同時制冷效果也明顯提高，這要得益于強(qiáng)化傳熱技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用。傳熱學(xué)是和生活息息相關(guān)的一門學(xué)科，對于傳熱學(xué)課程的學(xué)習(xí)無論是對自然界熱現(xiàn)象的認(rèn)識還是熱量傳遞技術(shù)的學(xué)習(xí)都是有必要的。

1 內(nèi)容講解和學(xué)習(xí)方法

對于傳熱學(xué)課程的研究有很多的文獻(xiàn)，分別從傳熱學(xué)的教學(xué)方法[2]，課程教學(xué)改革[3]，實踐教學(xué)體系的構(gòu)建[4]等方面進(jìn)行了研究，本論文從以下二個方面探討傳熱學(xué)課程，分別是課程內(nèi)容的講解和學(xué)習(xí)方法。

根據(jù)傳熱的三種方式及傳熱技術(shù)的應(yīng)用可以把傳熱學(xué)內(nèi)容分為四大塊內(nèi)容，每一塊內(nèi)容又可以分類，下面分四方面對傳熱學(xué)的內(nèi)容進(jìn)行講解。

1.1 熱傳導(dǎo)

在教授過程中，首先求得物體內(nèi)的溫度分布，再利用傅里葉定律可以求得傳遞的熱流量，求解物體內(nèi)的溫度分布是關(guān)鍵。明確解決物體內(nèi)溫度分布的完整的數(shù)學(xué)描寫是導(dǎo)熱微分方程及定解條件，導(dǎo)熱微分方程是一個二階的微分方程，通過能量守恒和傅里葉定律推導(dǎo)而來，是解決導(dǎo)熱問題的基礎(chǔ)。定解條件分為初始條件和邊界條件，邊界條件分三類對應(yīng)著高等數(shù)學(xué)上解二階微分方程時三類邊界條件，所以學(xué)生可以把前面學(xué)習(xí)解二階微分方程的方法用到這里，能更好地理解熱傳導(dǎo)問題。對于穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)的幾種常見的情形是通過平壁的導(dǎo)熱，又分單層平壁和多層平壁。通過圓筒壁的導(dǎo)熱，可分為單層圓筒壁和多層圓筒壁，前面的導(dǎo)熱滿足共同的特點(diǎn)即已知邊界上的溫度值，這些都屬于第一邊界條件的熱傳導(dǎo)問題。對于第二類及第三類邊界條件的導(dǎo)熱問題，可以通過舉電熨斗底面的導(dǎo)熱問題為例進(jìn)行講解。對于穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的一個特例-肋片導(dǎo)熱，在學(xué)習(xí)過程中，要注意對于復(fù)雜的工程傳熱問題的處理方法，即忽略影響問題的次要因素，經(jīng)過適當(dāng)?shù)暮喕⒑侠淼奈锢砼c數(shù)學(xué)模型，從而運(yùn)用已有的數(shù)學(xué)和傳熱學(xué)知識進(jìn)行求解。對于非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的內(nèi)容講述首先明確非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱的基本概念，理解非正規(guī)狀況階段和正規(guī)狀況階段及Bi數(shù)對平板中溫度分布的影響。然后理解常見的幾類非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱。對于零維問題的解決方法-集中參數(shù)法，其適用范圍是針對特征數(shù)Bi的大小來確定的。熱電偶是講述零維問題的特例，對于理解零維問題和集中參數(shù)法有著很大的幫助。對于一維物體非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱分三種情形，分別為平板，圓柱，球，這三種情況下的解很復(fù)雜，從而有必要對結(jié)果進(jìn)行簡化，簡化的依據(jù)是特征數(shù)FO>0.2后，略去第二項及后面的項所得結(jié)果與不忽略時的完整結(jié)果偏差小于0.1%[5]，從而對結(jié)果進(jìn)行了簡化。在工程上對于非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱正規(guī)狀況階段的解決方法是圖線法（海斯勒圖）及近似擬合公式法。熱傳導(dǎo)內(nèi)容多，公式多，在學(xué)習(xí)過程中可以用類比法更好地識記各種情形下的公式。達(dá)到對公式的理解和應(yīng)用。

1.2 對流換熱

對流傳熱的內(nèi)容在教授過程中，首先明確要得到各種對流情形下的換熱量，可以利用牛頓冷卻公式，公式中的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是未知量，故求解各種情況下的表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)是關(guān)鍵。影響表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的因素有很多，有必要按照主要的影響因素進(jìn)行分類.求解對流傳熱問題需要解定解條件下的對流傳熱微分方程。對流傳熱微分方程包括質(zhì)量守恒，動量守恒和能量守恒的數(shù)學(xué)表達(dá)式，共四個非線性偏微分方程，解析解很難獲得，進(jìn)展一直很小，直到20世紀(jì)初由普朗特和波爾豪森提出的邊界層概念對上述方程組進(jìn)行了簡化，使得在理論上求解較為簡單的對流傳熱成為可能，層流外掠平板就是典型的一例。應(yīng)該明確的是即使對方程進(jìn)行了簡化，但影響對流傳熱的因素很多，在理論上無法得出解析解，在現(xiàn)階段，對流傳熱規(guī)律的研究主要是通過實驗法來進(jìn)行。在實驗上通過相似原理或者量綱分析法得到相似特征數(shù)方程，使得在實驗上研究對流換熱成為可能。對于對流傳熱分類樹上常用的實驗關(guān)聯(lián)式，要明確實驗驗證范圍，熱邊界條件明確，定性溫度，特征長度怎樣規(guī)定的。對于相變對流傳熱主要是掌握凝結(jié)與沸騰傳熱，其基本特點(diǎn)，計算關(guān)聯(lián)式的使用及強(qiáng)化相變傳熱的主要實現(xiàn)技術(shù)是主要內(nèi)容。這一塊內(nèi)容的微觀物理圖像很難想象，在講述過程中，為了增加學(xué)生的興趣，可以舉相關(guān)的例子，講述沸騰換熱時，可提到“響水不開，開水不響”，引發(fā)學(xué)生的思考，再講述沸騰換熱的原理，使得同學(xué)們對沸騰換熱有更深的理解。對流換熱的情形多，在講述過程可以通過案例分析法對某一些對流換熱進(jìn)行講解，到達(dá)舉一反三，更好的理解對流換熱。

1.3 輻射換熱

熱輻射的物理機(jī)制與導(dǎo)熱和對流截然不同，后者是物體的宏觀運(yùn)動和微觀粒子的熱運(yùn)動引發(fā)的能量轉(zhuǎn)移，而前者是物質(zhì)的電磁運(yùn)動引起的能量傳遞，與前面的研究方法截然不同，用到更多物理學(xué)上的知識。熱輻射引入了很多新的概念與定律，比如黑體、輻射力、光譜輻射力、吸收比，穿透比、輻射四次方定律、普朗克定律、維恩位移定律等等，理解這些概念和定律是學(xué)好熱輻射的基礎(chǔ)。

1.4 換熱器

換熱器的傳熱過程傳遞的熱量由傳熱方程確定，對于換熱器需要理解它的穩(wěn)態(tài)工況的熱設(shè)計，包括設(shè)計計算（確定傳熱面積）或者校核計算（承擔(dān)的熱負(fù)荷），基本依據(jù)是能量守恒定律和對數(shù)平均溫差的四個假定。設(shè)計計算時應(yīng)采用對數(shù)平均溫差方法，根據(jù)實際的傳熱過程選擇合適的換熱形式，進(jìn)而計算出傳熱系數(shù)。對于校核計算，采用迭代法計算對數(shù)平均溫差，初始值的選取對于計算的結(jié)果有較大的影響。需要確定傳熱器的多少傳熱面積作為計算面積，不同的傳熱面積可以導(dǎo)致傳熱系數(shù)相差很多。輻射換熱和換熱器內(nèi)容抽象，理解困難，在講授過程中，可以通過設(shè)定一個問題，讓同學(xué)討論，即通過討論法來加深對內(nèi)容的理解。

2 結(jié)論

傳熱學(xué)課程涉及的知識點(diǎn)多，數(shù)學(xué)表達(dá)式多，在講述過程中要避免一味地推導(dǎo)公式和羅列結(jié)論，而是簡化推導(dǎo)過程，重點(diǎn)放在每一個公式在工程上有什么用，怎樣用，有什么注意事項，力求能理解每個公式在工程上的應(yīng)用，為以后的就業(yè)打好基礎(chǔ)?；蛘邔⒚恳粋€公式，知識點(diǎn)與考研，學(xué)科競賽相聯(lián)系，讓學(xué)生從思想上意識到現(xiàn)在學(xué)習(xí)的知識的重要性。傳熱學(xué)課程的內(nèi)容雖然多，但具有連貫性，可以學(xué)習(xí)完每一部分后做一個表格或者思維導(dǎo)圖，總結(jié)知識點(diǎn)和公式，加深理解。通過對傳熱學(xué)課程四大塊內(nèi)容的歸納總結(jié)和學(xué)習(xí)方法的探討，相信在學(xué)習(xí)傳熱學(xué)課程時目的性更強(qiáng)，能更好地理解內(nèi)容，達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。

【參考文獻(xiàn)】

[1]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)[M].4版.北京：高等教育出版社，2006.

[2]阮芳，龍激波，等.傳熱學(xué)課程教學(xué)方法的研究與實踐[J].高等建筑教育，2015，24（6）：93-96.

[3]李友榮，楊晨，等.“傳熱學(xué)”課程教學(xué)改革研究與思考[J].中國電力教育，2010，32：66-67.

[4]趙斌，梁精龍.“傳熱學(xué)”研究性實踐教學(xué)體系的構(gòu)建[J].中國電力教育，2010，7：123-125.

[5]章熙民，任澤霈，梅飛鳴.傳熱學(xué)[M].2版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1993：66-72.

[責(zé)任編輯：王偉平]