應用型安全工程專業《傳熱學》課程教學初探

逯田力　高德營

【摘 要】根據傳熱學課程知識點多，內容抽象，應用性強的特點，本文從四方面對傳熱學內容進行講解，對每一塊內容的重要知識點進行了歸納總結及討論了學習時的方法。

【關鍵詞】熱傳導；對流換熱；輻射換熱；換熱器

0 引言

傳熱學是安全工程專業的一門必修課程，講述的是與熱量傳遞相關的自然現象及研究熱量傳遞規律的一門學科，對于與熱相關的自然現象有很多，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？熱天人們為什么喜歡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象，對于這些現象的解釋就需要學習傳熱學的知識，需要知道熱量傳遞的規律。并且隨著經濟的發展，與熱量傳遞相關的企業、公司越來越多，與熱量傳遞相關技術的發展也越來越快，基本上可以分為三種類型的技術[1]，即強化傳熱技術，削弱傳熱技術，溫度控制技術，上面的三種類型的技術代表著傳熱技術的三個方向，在相應的領域有著重要的應用，比如強化傳熱技術，現在的家用空調或者車載空調體積越來越小，所需的能量消耗也越來越低，同時制冷效果也明顯提高，這要得益于強化傳熱技術的發展與應用。傳熱學是和生活息息相關的一門學科，對于傳熱學課程的學習無論是對自然界熱現象的認識還是熱量傳遞技術的學習都是有必要的。

1 內容講解和學習方法

對于傳熱學課程的研究有很多的文獻，分別從傳熱學的教學方法[2]，課程教學改革[3]，實踐教學體系的構建[4]等方面進行了研究，本論文從以下二個方面探討傳熱學課程，分別是課程內容的講解和學習方法。

根據傳熱的三種方式及傳熱技術的應用可以把傳熱學內容分為四大塊內容，每一塊內容又可以分類，下面分四方面對傳熱學的內容進行講解。

1.1 熱傳導

在教授過程中，首先求得物體內的溫度分布，再利用傅里葉定律可以求得傳遞的熱流量，求解物體內的溫度分布是關鍵。明確解決物體內溫度分布的完整的數學描寫是導熱微分方程及定解條件，導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而來，是解決導熱問題的基礎。定解條件分為初始條件和邊界條件，邊界條件分三類對應著高等數學上解二階微分方程時三類邊界條件，所以學生可以把前面學習解二階微分方程的方法用到這里，能更好地理解熱傳導問題。對于穩態熱傳導的幾種常見的情形是通過平壁的導熱，又分單層平壁和多層平壁。通過圓筒壁的導熱，可分為單層圓筒壁和多層圓筒壁，前面的導熱滿足共同的特點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問題。對于第二類及第三類邊界條件的導熱問題，可以通過舉電熨斗底面的導熱問題為例進行講解。對于穩態導熱的一個特例-肋片導熱，在學習過程中，要注意對于復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，經過適當的簡化建立合理的物理與數學模型，從而運用已有的數學和傳熱學知識進行求解。對于非穩態導熱的內容講述首先明確非穩態導熱的基本概念，理解非正規狀況階段和正規狀況階段及Bi數對平板中溫度分布的影響。然后理解常見的幾類非穩態導熱。對于零維問題的解決方法-集中參數法，其適用范圍是針對特征數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法有著很大的幫助。對于一維物體非穩態導熱分三種情形，分別為平板，圓柱，球，這三種情況下的解很復雜，從而有必要對結果進行簡化，簡化的依據是特征數FO>0.2后，略去第二項及后面的項所得結果與不忽略時的完整結果偏差小于0.1%[5]，從而對結果進行了簡化。在工程上對于非穩態導熱正規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。熱傳導內容多，公式多，在學習過程中可以用類比法更好地識記各種情形下的公式。達到對公式的理解和應用。

1.2 對流換熱

對流傳熱的內容在教授過程中，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，公式中的表面傳熱系數是未知量，故求解各種情況下的表面傳熱系數是關鍵。影響表面傳熱系數的因素有很多，有必要按照主要的影響因素進行分類.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量守恒，動量守恒和能量守恒的數學表達式，共四個非線性偏微分方程，解析解很難獲得，進展一直很小，直到20世紀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。應該明確的是即使對方程進行了簡化，但影響對流傳熱的因素很多，在理論上無法得出解析解，在現階段，對流傳熱規律的研究主要是通過實驗法來進行。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聯式，要明確實驗驗證范圍，熱邊界條件明確，定性溫度，特征長度怎樣規定的。對于相變對流傳熱主要是掌握凝結與沸騰傳熱，其基本特點，計算關聯式的使用及強化相變傳熱的主要實現技術是主要內容。這一塊內容的微觀物理圖像很難想象，在講述過程中，為了增加學生的興趣，可以舉相關的例子，講述沸騰換熱時，可提到“響水不開，開水不響”，引發學生的思考，再講述沸騰換熱的原理，使得同學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行講解，到達舉一反三，更好的理解對流換熱。

1.3 輻射換熱

熱輻射的物理機制與導熱和對流截然不同，后者是物體的宏觀運動和微觀粒子的熱運動引發的能量轉移，而前者是物質的電磁運動引起的能量傳遞，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好熱輻射的基礎。

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態工況的熱設計，包括設計計算（確定傳熱面積）或者校核計算（承擔的熱負荷），基本依據是能量守恒定律和對數平均溫差的四個假定。設計計算時應采用對數平均溫差方法，根據實際的傳熱過程選擇合適的換熱形式，進而計算出傳熱系數。對于校核計算，采用迭代法計算對數平均溫差，初始值的選取對于計算的結果有較大的影響。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致傳熱系數相差很多。輻射換熱和換熱器內容抽象，理解困難，在講授過程中，可以通過設定一個問題，讓同學討論，即通過討論法來加深對內容的理解。

2 結論

傳熱學課程涉及的知識點多，數學表達式多，在講述過程中要避免一味地推導公式和羅列結論，而是簡化推導過程，重點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用，為以后的就業打好基礎?；蛘邔⒚恳粋€公式，知識點與考研，學科競賽相聯系，讓學生從思想上意識到現在學習的知識的重要性。傳熱學課程的內容雖然多，但具有連貫性，可以學習完每一部分后做一個表格或者思維導圖，總結知識點和公式，加深理解。通過對傳熱學課程四大塊內容的歸納總結和學習方法的探討，相信在學習傳熱學課程時目的性更強，能更好地理解內容，達到教學目標。

【參考文獻】

[1]楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].4版.北京：高等教育出版社，2006.

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

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

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

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

[責任編輯：王偉平]