“熱質交換原理與設備”課程教學大綱的編制探討

余德洋 楊明濤

摘?要：“熱質交換原理與設備”是建筑環境與能源應用工程專業必開的專業基礎課程。如何制訂“熱質交換原理與設備”課程教學大綱，促進專業建設是專業教師需要思考的問題。本文以應用型本科院校為例，從課程性質、課程目標、課程內容、課程安排、課程考核和課程實施建議六個角度探討應用型本科院校如何制定熱質交換原理與設備課程教學大綱。

關鍵詞：傳質;傳熱;教學大綱;熱質交換設備

熱質交換原理與設備主要介紹工程中涉及的傳熱和傳質理論，以及傳熱傳質設備的熱工計算。通過本課程學習，一方面可為學生學習后續專業課打下必要的知識基礎，另一方面也使學生具有優化實際工程中的熱質交換過程和提高熱質交換設備運行效率的能力。因此，做好熱質交換原理與設備課程的教學是非常重要的工作。課程教學大綱制訂合理可為學生完成學習目標起到保駕護航的作用[1-2]。依據當前應用型普通本科院校建筑環境與能源應用工程專業學生的學習情況和熱質交換技術發展的狀況，針對如何制訂“熱質交換原理與設備”教學大綱的問題進行了探討。為了更好地開展“熱質交換原理與設備”課程的教學，本文也提出了幾個具體可行的意見。

1 課程性質

熱質交換原理與設備是建筑環境與能源應用工程專業的一門專業基礎課，在整個課程體系里起著溝通理論課與專業課的橋梁作用[3-6]。對本門課進行學習，既可為后續的專業課儲備理論基礎，也可促進學生理論聯系實際。“熱質交換原理與設備”課程教學大綱的制訂應該結合不同院校的實際情況。

2 課程目標

不同層次的學校，熱質交換原理與設備課程目標的側重點也應有所差異。對于應用型本科院校的熱質交換原理與設備課程目標，首先，要掌握傳熱傳質的基礎理論，其次，掌握傳熱傳質設備的常用熱工計算方法，并具有初步優化本專業領域常用設備的能力。上述熱質交換原理與設備課程目標符合應用型本科院校的學生培養要求。

3 課程內容

“熱質交換原理與設備”課程內容主要分為九個部分[7]，分別是：（1）緒論;（2）傳質的理論基礎;（3）傳熱傳質問題的分析和計算;（4）空氣的熱濕處理;（5）吸附和吸收處理空氣的原理與方法;（6）間壁式熱質交換設備的熱工計算;（7）混合式熱質交換設備的熱工計算;（8）復合式熱質交換設備的熱工計算;（9）課程思政。

3.1 緒論

緒論分為三部分，第一部分為建筑環境與能源應用工程專業涉及的熱質交換現象及設備分類，該部分主要內容為三種傳遞現象的聯系、建能專業中的典型熱質交換現象和熱質交換設備的分類;第二部分為本門課程在專業中的地位與作用;第三部分為本門課程的主要研究內容與方法。

3.2 傳質的理論基礎

傳質的理論基礎分為傳質概論、擴散傳質、對流傳質以及相際間的對流傳質模型四部分。其中傳質概論主要內容為混合物構成成分的表達、傳質速率的度量、質量傳遞的基本方式;擴散傳質主要內容為斐克定律、氣體中的擴散過程、液體中的擴散過程、固體中的擴散過程、擴散系數及其測量;對流傳質主要內容為對流傳質系數、濃度邊界層概念及其對傳質問題求解的意義、紊流傳質的機理、對流傳質的數學描述、對流傳質過程的相關準則數、對流傳質問題的分析求解;相際間的對流傳質模型主要內容為薄膜理論、滲透理論、表面更新理論和一維固液相變問題。

3.3 傳熱傳質問題的分析和計算

傳熱傳質問題的分析和計算分為動量、熱量和質量傳遞的類比、對流傳質的準則關聯式和熱量和質量同時進行時的熱質傳遞三部分。動量、熱量和質量傳遞的類比部分主要內容為三種傳遞各自的速率描述、三傳方程、動量交換與熱交換的類比在質交換中的應用;對流傳質的準則關聯式主要內容為流體在管內受迫流動時的質交換和流體沿平板流動時的質交換;熱量和質量同時進行時的熱質傳遞主要內容為同時進行傳熱與傳質的過程、同一表面上傳質過程對傳熱過程的影響、劉伊斯關系式和濕球溫度的理論基礎。

3.4 空氣的熱濕處理

空氣的熱濕處理分為空氣的熱濕處理途徑、空氣與固體表面之間的熱濕交換和空氣與水直接接觸時的熱濕交換三部分。其中空氣熱濕處理途徑部分主要內容包括空氣調節的幾個相關概念、空氣熱濕處理的原理和方案、空氣熱濕處理及設備;空氣與固體表面之間的熱濕交換部分主要內容包含濕空氣在冷表面上的冷卻降濕過程和濕空氣在肋片上的冷卻降濕過程;空氣與水直接接觸時的熱濕交換主要內容為熱濕交換原理、蒸發冷卻裝置的工作原理、與水直接接觸時空氣的狀態變化過程、空氣與水直接接觸時的對流增濕和減濕、影響空氣與水表面之間熱質交換的主要因素和空氣與水表面的熱質交換系數。

3.5 吸附和吸收處理空氣的原理與方法

吸附和吸收處理空氣的原理與方法分為吸附材料處理空氣的原理和方法以及吸收劑處理空氣的原理和方法兩部分。其中吸附材料處理空氣的原理和方法主要內容包括吸附的基本知識和概念、等溫吸附線、常用吸附劑的類型和性能、多孔介質傳質淺析、空氣靜態吸附除濕和動態吸附除濕;吸收劑處理空氣的原理和方法主要內容包括吸收現象簡介、液體除濕劑的類型和性能、吸收劑處理空氣的機理、影響吸收的主要因素。

3.6 間壁式熱質交換設備的熱工計算

間壁式熱質交換設備的熱工計算分為間壁式熱質交換設備的形式與結構、間壁兩側流體傳熱過程分析、總傳熱系數與總傳熱熱阻、間壁式熱質交換設備熱工常用計算方法、表面式冷卻器的熱工計算以及其他間壁式熱質交換設備的熱工計算六部分。其中，間壁式熱質交換設備熱工常用計算方法主要內容包括熱工計算的基本公式、對數平均溫差、效能-傳熱單元數法、對數平均溫差與效能-傳熱單元數法的比較;表面式冷卻器的熱工計算主要內容包括表冷器處理空氣時發生熱質交換的特點、表冷器的傳熱系數和表冷器的熱工計算;其他間壁式熱質交換設備的熱工計算主要內容包括空氣加熱器的熱工計算和散熱器的熱工計算。

3.7 混合式熱質交換設備的熱工計算

混合式熱質交換設備的熱工計算分為混合式換熱器的形式與結構、影響混合式設備熱質交換效果的主要因素、混合式設備發生熱質交換的特點、噴淋室的熱工計算、冷卻塔的熱工計算和其他混合式熱質交換設備的熱工計算六部分。其中混合式換熱器的形式與結構的主要內容包括混合式熱交換器的種類、噴淋室的類型和構造和冷卻塔的類型與結構;混合式設備發生熱質交換的特點的主要內容包括噴淋室熱質交換的特點和冷卻塔熱質交換的特點;噴淋室的熱工計算的主要內容包括噴淋室的熱交換效率系數和接觸系數、噴淋室的熱交換效率和接觸系數的實驗公式、噴淋室的計算類型、噴淋室計算的主要原則、噴淋室的設計計算方法和噴淋室的校核計算方法;冷卻塔的熱工計算的主要內容包括冷卻塔的熱工計算方法和冷卻塔的計算方法舉例;其他混合式熱質交換設備的熱工計算的主要內容包括加濕器的熱工計算和噴射泵的熱工計算。

3.8 復合式熱質交換設備的熱工計算

復合式熱質交換設備的熱工計算分為影響復合式設備熱質交換效果的主要因素、蒸發冷卻式空調系統的熱工計算以及溫濕度獨立調節空調系統三部分。其中蒸發冷卻式空調系統的熱工計算部分主要內容包括直接蒸發冷卻器的類型與性能、直接蒸發冷卻器的熱工計算、間接蒸發冷卻器的類型與性能、間接蒸發冷卻器的熱工計算、一級蒸發冷卻空調系統設計計算方法、二級蒸發冷卻空調系統設計計算方法和三級蒸發冷卻空調系統設計計算方法;溫濕度獨立調節空調系統部分主要內容包括溫濕度獨立調節空調系統的簡介、溫度調節系統、濕度獨立處理設備和溫濕度獨立設備的應用。

3.9 課程思政

學習本課程時，可將節能減排的思政元素和表冷器（間壁式熱質交換設備）的學習內容相融合。例如在第六章學習時，說明表冷器是空調系統中的一種熱質交換設備，表冷器內不僅存在著因溫差導致的顯熱的傳遞，同時也存在著由于水蒸氣的傳質所帶來的潛熱傳遞，兩者共同影響著表冷器內冷熱兩種流體之間的換熱速率。因而運用熱質交換理論可優化表冷器內的熱質傳遞過程，以達到節約表冷器的運行能耗。通過上述內容的講解，可使學生了解本門課程對于節能減排的意義，增強專業責任感。

4 課時安排

“熱質交換原理與設備”課程具體的學時建議安排可參考下表。

5 課程考核

以往評定學生是否能夠取得該門課程的學分，通常在課程結束后舉行一場考試，該考試成績在總評成績中占70%，平時成績在總評成績中占30%，總評成績不低于60分的同學將視為成績合格，取得該門課程的學分。該考核方法中考試成績所占權重過高，許多同學正是看到這一考核特點，所以在平時學習時并不努力，只是在考前搞突擊。這種應試教育導致學生對該門課程知識掌握不夠深入，專業基礎不夠扎實，直接影響后續專業課的學習。為了克服這一缺點，建議降低課程結束后的考試成績在總評成績中的權重，而在學習中增加平時課堂小測驗的次數，所有小測驗的成績均列入總評成績中。這樣學生就會重視平時的學習，從而對課程知識點掌握比較扎實。

6 教學實施建議

（1）“熱質交換原理與設備”授課內容應與日常現象相結合。例如，在講授擴散傳質時，可引導學生想象在學校食堂的情景，鼻子總能夠聞到飯菜的味道，這正是擴散傳質所起的作用，增強學生對所學內容的感性認識。

（2）傳熱傳質公式的推導過程略講，重點在于培養應用傳熱傳質公式解決問題的能力。

（3）課堂上增加師生探討內容，以充分發揮學生學習的積極性和主動性。

（4）在教學中增加與“熱質交換原理與設備”課程相關的傳熱傳質實驗教學內容，以便讓學生結合實驗現象更好地理解課堂中學習到的理論知識。這樣使得本門課程的學習內容不會過于抽象和枯燥，從而激發學生學習熱質交換原理與設備課程的興趣。

結語

“熱質交換原理與設備”課程具有深化學生的專業素養的作用，該課程對學習專業課以及今后的工作均有重要的作用。例如運用熱質交換知識可優化熱質交換設備的設計，強化熱質交換設備的傳熱傳質速率，以達到提高運行效率，降低運行費用的目標。熱質交換原理與設備教學大綱正是依據上述教學目標進行編制的。

參考文獻：

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[7]連之偉，陳寶明.熱質交換原理與設備（第三版）[M].北京：中國建筑工業出版社，2017.

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