化工原理考研中“傳熱”考研考點(diǎn)的分析*

范曉宇，王志平，曹月萍，李 強(qiáng)，李 歡

(集寧師范學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院，內(nèi)蒙古 烏蘭察布 012000)

關(guān)于化工原理教學(xué)改革的研究，學(xué)者圍繞試卷命題質(zhì)量、應(yīng)用型本科教學(xué)改革、課程建設(shè)、考研探析等方面進(jìn)行論述。朱守記等[1]在化工原理課程教材的選擇、提高教師專(zhuān)業(yè)能力的深度和廣度、引進(jìn)現(xiàn)代教學(xué)平臺(tái)提高學(xué)生學(xué)習(xí)的參與度、強(qiáng)化實(shí)驗(yàn)課程等實(shí)踐環(huán)節(jié)、優(yōu)化考核方式等方面進(jìn)行探討。呂春艷等[2]以培養(yǎng)創(chuàng)新型工科人才為導(dǎo)向，結(jié)合我校制藥工程專(zhuān)業(yè)以中藥制藥工藝設(shè)計(jì)及新藥研究與開(kāi)發(fā)為主要特色的實(shí)際情況，從教學(xué)前準(zhǔn)備、教學(xué)實(shí)施過(guò)程、教學(xué)效果評(píng)價(jià)三個(gè)方面對(duì)化工原理課程教學(xué)進(jìn)行教學(xué)改革，以推進(jìn)新工科背景下創(chuàng)新工程教育對(duì)工程人才的培養(yǎng)。余海溶等[3]分析了目前西南民族大學(xué)化工原理課程的教學(xué)現(xiàn)狀和存在的問(wèn)題。并分別從教學(xué)內(nèi)容、學(xué)習(xí)興趣、實(shí)踐教學(xué)、學(xué)科競(jìng)賽和教學(xué)方法等幾方面對(duì)教學(xué)模式改進(jìn)方案進(jìn)行探討。孫健等[4]針對(duì)當(dāng)前應(yīng)用型本科院校不同學(xué)科交叉融合受限，導(dǎo)致工程人才跨界整合能力不足的問(wèn)題，結(jié)合當(dāng)前我國(guó)就業(yè)環(huán)境對(duì)新工科人才的要求，基于新工科建設(shè)和化工原理課程特點(diǎn)，將新工科的理念引入到化工原理教學(xué)中。張偉等[5]在當(dāng)前高等學(xué)校注重培養(yǎng)創(chuàng)新型人才的背景下，分析了化工原理教學(xué)過(guò)程中應(yīng)用問(wèn)題教學(xué)法的必要性，并設(shè)計(jì)了以問(wèn)題為導(dǎo)向的教學(xué)內(nèi)容，采取互動(dòng)教學(xué)模式，將仿真實(shí)驗(yàn)和企業(yè)案例引入課堂，探討了問(wèn)題教學(xué)法的應(yīng)用方式。劉紅姣等[6]對(duì)江漢大學(xué)近年來(lái)化工原理考研試卷命題現(xiàn)狀進(jìn)行分析，提出以課程考試大綱為基礎(chǔ)，科學(xué)合理地編制擬卷范式，建立試卷命制的反饋機(jī)制，適時(shí)對(duì)命題工作進(jìn)行研討，提高研究生招生考試試卷命制質(zhì)量。余傳波[7]通過(guò)化工原理碩士研究生入學(xué)考試的輔導(dǎo)實(shí)踐，將考試分析大綱、考試試題、使用教材和串講總結(jié)的體會(huì)指導(dǎo)應(yīng)用型本科化工原理課程的教學(xué)改革。倪獻(xiàn)智等[8]在高等理工教育“強(qiáng)化基礎(chǔ)、理工融合、工借理勢(shì)、理勢(shì)工發(fā)”的新思想新理念指導(dǎo)下，指出教學(xué)培養(yǎng)計(jì)劃中對(duì)于化學(xué)和化工類(lèi)專(zhuān)業(yè)在技術(shù)基礎(chǔ)課程階段的教學(xué)中愈來(lái)愈傾向于建立理工統(tǒng)一的教學(xué)平臺(tái)，同時(shí)對(duì)化工原理課程分階段教學(xué)研究及實(shí)踐進(jìn)行了總結(jié)。熊楚安等[9]在教學(xué)過(guò)程中，提出幾方面教學(xué)意見(jiàn)：(1)是積極主動(dòng)地參與化工原理課程建設(shè)；(2)注重平時(shí)積累、堅(jiān)持不懈地推進(jìn)化工原理課程建設(shè)；(3)堅(jiān)持改革創(chuàng)新、加強(qiáng)教學(xué)設(shè)計(jì)，形成鮮明的課程特色和風(fēng)格。陸維瑋等[10]近年對(duì)化工原理考研進(jìn)行了一些分析探討，把握其發(fā)展變化的主流趨勢(shì)及宏觀規(guī)律，有的放矢地進(jìn)行輔導(dǎo)。筆者經(jīng)過(guò)文獻(xiàn)調(diào)研，總結(jié)目前關(guān)于化工原理教學(xué)改革多以宏觀層面總體把控、系統(tǒng)協(xié)調(diào)為主，而關(guān)于具體考研考點(diǎn)的分析較少。本文結(jié)合各高?；ぴ砜佳姓骖}關(guān)于傳熱部分的考試內(nèi)容，深入分析傳熱考點(diǎn)，期望為考化工原理科目的學(xué)生提供方法上的借鑒。

1 課題研究目的及方法概述

針對(duì)越來(lái)越嚴(yán)峻的就業(yè)形勢(shì)，考研逐漸成為本科學(xué)生站在畢業(yè)十字路口的絕佳選擇，這不僅會(huì)增加后來(lái)就業(yè)的籌碼，也對(duì)自身能力的塑造起到了積極的作用，所以考研熱度逐年攀升?；ぴ硎呛芏喔咝；?zhuān)業(yè)及應(yīng)用化學(xué)的必考科目，受到了學(xué)生的重視。但化工原理這門(mén)課程自身實(shí)踐性較強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣、難度大，同時(shí)需要較強(qiáng)的計(jì)算能力，所以考研的學(xué)生需要付出很大一部分精力專(zhuān)注于此。針對(duì)該情況，本課題研究了化工原理考研中重要組成部分——傳熱的知識(shí)點(diǎn)梳理及部分真題講解。目的是通過(guò)對(duì)該部分內(nèi)容的整理，期望對(duì)于該方向準(zhǔn)備考研的學(xué)生提供幫助。

對(duì)目前集寧師范學(xué)院化學(xué)與化工學(xué)院考研學(xué)生進(jìn)行訪談、聊天，明確了他們的考研專(zhuān)業(yè)課方向大致為：四大化學(xué)中選考兩門(mén)或者是考綜合化學(xué)。筆者考慮到除這兩種選擇外，還可以選擇考數(shù)學(xué)加化工原理兩門(mén)業(yè)務(wù)課，且在交流過(guò)程中部分學(xué)生表達(dá)了相應(yīng)的想法。通過(guò)對(duì)往年考研學(xué)生的分析，發(fā)現(xiàn)這一塊確實(shí)是目前急需要解決的短板。圖1為課題研究方法路線，現(xiàn)對(duì)該路線作簡(jiǎn)要說(shuō)明。首先，基于目前學(xué)生考研情況確定研究目標(biāo)，之后采用線上文獻(xiàn)調(diào)研的方式確立所研究課題名稱(chēng)為化工原理考研中“傳熱”考研考點(diǎn)的分析。然后根據(jù)目前學(xué)生制定研究計(jì)劃，與考研學(xué)生互動(dòng)且向該方向有研究經(jīng)驗(yàn)的教師請(qǐng)教進(jìn)一步明確研究計(jì)劃，給出研究的指導(dǎo)性框架。接著制定具體的研究步驟，結(jié)合反饋信息不斷凝練研究成果，與已有成果進(jìn)行對(duì)比，加入具體實(shí)例夯實(shí)研究成果，最終形成成熟的研究結(jié)論。

圖1 課題研究的方法路線

2 課題研究支撐條件及內(nèi)容概述

集寧師范學(xué)院自成立以來(lái)，大力推進(jìn)教育教學(xué)改革，在專(zhuān)業(yè)調(diào)整、課程設(shè)置、教學(xué)計(jì)劃修訂、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)手段和方法改革等方面已經(jīng)做了大量工作，奠定了良好的基礎(chǔ)。加大了對(duì)教學(xué)改革研究的支持力度，制定了一系列措施推動(dòng)全院教學(xué)和培訓(xùn)的改革，規(guī)定了將教學(xué)研究項(xiàng)目與科研項(xiàng)目同等對(duì)待，對(duì)教學(xué)成果實(shí)行重點(diǎn)獎(jiǎng)勵(lì)和扶持。各級(jí)領(lǐng)導(dǎo)對(duì)學(xué)生的考研事項(xiàng)關(guān)懷備至，不僅在精神上鼓舞學(xué)生努力考研，而且在物質(zhì)上大力支持。配備專(zhuān)門(mén)的任課教師對(duì)不同考研門(mén)類(lèi)的學(xué)生進(jìn)行輔導(dǎo)，提供專(zhuān)用的教室供考研學(xué)生學(xué)習(xí)，第一時(shí)間向考生傳達(dá)最新考研信息，最大程度的具備了考研所需的一切設(shè)施條件。

本課題研究?jī)?nèi)容為化工原理中重要組成部分——傳熱的知識(shí)點(diǎn)梳理及真題講解，圖2給出概述框架。傳熱是化工原理考研重點(diǎn)，考試必有一道計(jì)算題，也會(huì)出現(xiàn)選擇與填空題。在傳熱過(guò)程考試中，一是重點(diǎn)掌握熱傳導(dǎo)及導(dǎo)熱系數(shù)的概念，掌握對(duì)流傳熱的基本定義，了解輻射傳熱的相關(guān)概念；二是重點(diǎn)掌握平壁一維定態(tài)熱傳導(dǎo)與圓筒壁一維定態(tài)熱傳導(dǎo)內(nèi)容，這兩項(xiàng)內(nèi)容為熱傳導(dǎo)部分?？純?nèi)容；三是掌握換熱器總換熱系數(shù)的計(jì)算與換熱器傳熱過(guò)程的強(qiáng)化，明白熱平衡方程的表達(dá)形式及應(yīng)用，這部分內(nèi)容常以填空及計(jì)算題的形式出現(xiàn)；四是掌握對(duì)流傳熱中涉及到的量綱的分析方法，牢記對(duì)流傳熱中一些相關(guān)準(zhǔn)數(shù)的表達(dá)形式。此外，對(duì)于流體無(wú)相變時(shí)的對(duì)流傳熱過(guò)程的考察經(jīng)常出現(xiàn)。

圖2 課題研究?jī)?nèi)容框架

3 考研考點(diǎn)及真題分析

3.1 化工原理傳熱部分考研考點(diǎn)[11]

(1)傳熱過(guò)程概述，該部分內(nèi)容包含熱傳導(dǎo)、熱對(duì)流系數(shù)的計(jì)算及概念上的理解；

(2)熱傳導(dǎo)，該部分內(nèi)容包含平壁一維定態(tài)熱傳導(dǎo)、圓通壁一維定態(tài)熱傳導(dǎo)的計(jì)算；

(3)換熱器傳熱計(jì)算，該部分內(nèi)容包含熱平衡方程、總傳熱速率微分方程和總傳熱系數(shù)、傳熱計(jì)算方法的考查；

(4)對(duì)流傳熱計(jì)算，該部分內(nèi)容包含對(duì)流傳熱量綱分析、無(wú)相變時(shí)對(duì)流傳熱系數(shù)等的考查；

(5)傳熱過(guò)程強(qiáng)化的考查。

3.2 傳熱的考研真題分析

3.2.1 真題1

用一傳熱面積為10 m2的蒸發(fā)器將某溶液由15%濃縮到40%，沸點(diǎn)進(jìn)料，要求每小時(shí)蒸得375 kg濃縮液，已知加熱蒸氣壓強(qiáng)為200 kPa，蒸發(fā)室的操作壓強(qiáng)為20 kPa，此操作條件下的溫度差損失可取8 ℃，熱損失可忽略不計(jì)。試求：(1)開(kāi)始設(shè)入使用時(shí)，此蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)為多少？(2)操作一段時(shí)間后，因物料在傳熱面上結(jié)垢，為完成同樣蒸發(fā)任務(wù)，需將加熱蒸汽的壓力提高到350 kPa，問(wèn)此時(shí)蒸發(fā)器的傳熱系數(shù)為多少(查得20 kPa水蒸汽的飽和溫度為61.1 ℃，汽化潛熱為 2 354.9 kJ/kg；查得200 kPa水蒸汽的飽和溫度為120.2 ℃；查得350 kPa水蒸汽的飽和溫度為138.8 ℃)？

答案：(1)785 W/(m2·℃)；(2)578 W/(m2·℃)。

涉及考點(diǎn)：考點(diǎn)1。

解析：

水蒸發(fā)量：

F=1 000 kg，W=625 kg

溶液的沸點(diǎn)：

t=60.1+8=68.1 ℃

傳熱系數(shù)K為：

改變壓力后的傳熱系數(shù)：

可見(jiàn)結(jié)垢以后的傳熱系數(shù)降低。

3.2.2 真題2

用套管換熱器逆流冷卻某熱流體，熱流體流量為1 000 kg/h，走管間，從150 ℃冷卻到80 ℃，其定壓比熱容為3.35 kJ/(kg·℃)管壁對(duì)流給熱系數(shù)為1 200 W/(m2·℃)。冷卻水走管內(nèi)，從15 ℃被加熱到65 ℃，內(nèi)管為φ25×2.5 mm，水的物性參數(shù)如下：ρ=1 000 kg/m3，cp=4.187 kJ/(kg·℃)，k=0.634 W/(m2·℃)，Pr=4.32。忽略管壁熱阻和熱損失，忽略溫度對(duì)物性參數(shù)的影響，試求冷卻水的用量和總傳熱系數(shù)。

答案：1 120 kg/h，924.63W/(m2·℃)。

涉及考點(diǎn)：考點(diǎn)3、考點(diǎn)4。

解析：

W1=1 000 kg/h，T1=150 ℃，T2=80 ℃，CP1=3.35 kJ/(kg·℃)

h1=1 200W/(m2·℃)，t1=15 ℃，t2=65 ℃，φ=25×2.5 mm

根據(jù)冷熱流體的能量守恒可知：

W1cp1(T1-T2)=W2cp2(t2-t1)

所以冷卻水的用量：

又因?yàn)椋?/p>

內(nèi)管中冷卻水的流速：

雷諾數(shù)：

判斷內(nèi)管里為湍流。

(3.03×104)0.8×4.320.4=5036.6W/(m2·℃)

所以：

3.2.3 真題3

在由118根φ25×2.5 mm，長(zhǎng)為3 m的鋼管組成的列管式換熱器中，用飽和水蒸氣加熱空氣，空氣走管程。已知加熱蒸汽的溫度為132.9 ℃，空氣的質(zhì)量流量為7 200 kg/h，空氣的進(jìn)、出口溫度分別為20 ℃和60 ℃，操作條件下的空氣比熱為1.005 kJ/(kg·℃)，空氣對(duì)流給熱系數(shù)為50 W/(m2·℃)，蒸汽冷凝給熱系數(shù)為8 000W/(m2·℃)，假定管壁熱阻、垢層熱阻及熱損失可忽略不計(jì)。試求：(1)加熱空氣需要的熱量Q是多少？(2)以管子外表面為基準(zhǔn)的總傳熱系數(shù)K為多少？(3)此換熱器能否完成生產(chǎn)任務(wù)？

答案：(1)80.4 kJ/s；(2)39.8 W/(m2·℃)；(3)能完成。

涉及考點(diǎn)：考點(diǎn)3、考點(diǎn)5。

解析：

(1)Q=w2cp2(t2-t1)=7 200/3 600×1.005×(60-20)=80.4 kJ/s

(3)A2=118×3.14×0.025×3=27.8 m2

Q=K2A2Δtm=39.8×27.8×91.45=101.184 kJ/s

通過(guò)對(duì)比，此換熱器能夠完成生產(chǎn)任務(wù)。

3.2.4 真題4

一臺(tái)鍋爐的爐墻由三種磚圍成，最內(nèi)層為耐火磚，中間為保溫磚，最外層為建筑磚，三種磚的厚度及熱導(dǎo)率分別為耐火磚b1=115 mm，λ1=1.160 W/(m·℃)；保溫磚b2=125 mm，λ2=0.116 W/(m·℃)；建筑磚b3=70 mm，λ3=0.350 W/(m·℃)，現(xiàn)測(cè)得爐內(nèi)壁和外壁表面溫度分別為495 ℃和60 ℃。試計(jì)算爐墻單位面積的導(dǎo)熱熱損失。

解析：?jiǎn)挝幻娣e導(dǎo)熱熱損失為：

3.2.5 真題5

有一φ50×5 mm的不銹鋼管，熱導(dǎo)率λ1=16 W/(m·℃)，外面包裹厚度為30 mm，熱導(dǎo)率λ2=0.2 W/(m·℃)的石棉保溫層。若鋼管的內(nèi)表面溫度為623 K，保溫層外表面溫度為373 K，試求每米管道的熱損失及鋼管外表面溫度[12]。

解析：

保溫層的外徑r3=25+30=55 mm

由此，可計(jì)算每米管道的熱損失：

真題4與真題5涉及考點(diǎn)2。

4 結(jié) 語(yǔ)

文章介紹了論文的研究思路及研究方法，以思維導(dǎo)圖的方式梳理了傳熱考研考點(diǎn)內(nèi)容，結(jié)合各高?；ぴ砜佳姓骖}對(duì)傳熱內(nèi)容的考研考點(diǎn)進(jìn)行深入分析，針對(duì)不同考點(diǎn)給出對(duì)應(yīng)的典型例題，為考研考化工原理的考生提供了方法上的借鑒。此外，化工原理課程不僅要求考生對(duì)基礎(chǔ)知識(shí)有較強(qiáng)的理解能力，更加要求考生能夠擁有處理實(shí)際問(wèn)題的能力。故考生復(fù)習(xí)時(shí)應(yīng)先重點(diǎn)掌握基礎(chǔ)知識(shí)，再結(jié)合具體實(shí)踐強(qiáng)化知識(shí)點(diǎn)的應(yīng)用。