关于传热学的（精选八篇）
关于传热学的 篇1
关键词：扭曲管换热器,传热强化,机械性能
换热器是热量传递的重要设备, 被广泛应用于各行各业中。随着社会的发展, 资源短缺问题日益显现, 促进了能源使用效率的提高, 需要加强对新能源的综合使用。我国的石油行业重视热交换设备的使用, 投资的总量占企业总投资总量的30%以上, 对节约材料和减少能源消耗具有重要作用, 满足了当前世界对节能减排发展的要求。
1 扭曲管单管轴向刚度研究
扭曲管在问世的时间较短, 尤其是对刚度的研究和机械强度更是存在明显不足, 扭曲管换热器没有严格的设计标准, 无法运用管壳式换热器设计标准来设计扭曲管换热器, 导致换热器存在较多的问题, 影响在工业中的应用效果。有限元分析软件应用的基本思想是将复杂的结构离散成小单元的形式, 需要对各个小单元进行求解, 被广泛应用于工程的实践研究当中。有限元模型的建立, 需要将截面为长圆形的扭曲管作为主要的研究对象, 如图1和图2所示, 将S作为扭曲管导程, A作为截面长轴, B作为截面短轴, t作为扭曲管壁厚。扭曲管的材料弹性模量为Et=203GPa, 泊松比u=0.3。
刚度对防止构件变形具有重要作用, 需要将变形保持在一定的弹性范围内, 确保位移能够与构件载荷呈现出正向比例关系。扭曲比和导程都会对轴向的刚度造成较大的影响。其中, 扭曲管的扭曲度能够展现出圆形机管被压弯的程度, 如果扭曲度越大, 则代表扭曲管越扁。扭曲管的轴向刚度会随着扭曲比而不断增大, 表明扭曲管的曲度会在一定程度上增大扭曲管的轴向补偿能力, 导致刚度能力下降, 稳定性下降。导程主要反映了扭曲管在扭转成型阶段的扭曲程度, 研究表明, 扭曲管的轴向刚度会随着导程的增加而增加, 扭曲比越高, 则表明刚度越低。
2 扭曲管换热器管板的有限元分析
扭曲管换热器主要由管程管箱、管板、管束和壳程壳体组成, 在对扭曲管换热器的管板有限元进行分析时, 设置的主要参数有:壳程圆筒内径为700mm, 将Q345R作为主要的材料, 扭曲管换热器板的数量为344, 壁厚10mm, 需要对不同厚度的管板进行考虑, 扭曲管换热器自身的厚度直接影响管板强度。通过运用有限元来对不同刚度削弱系数的扭曲管管板的应力进行分析。通过对换热器进行研究表明, 需要充分运用温差载荷作用, 如果扭曲管轴向的刚度减小, 导致换热器管板的应力强度也会随之减小。需要通过降低管束系统的不协调程度, 来改善管板的受力情况。扭曲管换热器会受到管程压力单独作用的影响, 导致换热器管板会随着扭曲管轴刚度的减小而增大。扭曲管刚度的减弱, 导致管板的支撑作用无法得到充分的发挥。扭曲管换热器管板的应力结果主要表现在以下几方面的内容:
第一, 管板径向应力分析。在管程压力和壳程压力的作用下, 换热器管的应力强度会随扭曲管轴刚度的减小而增大, 扭曲管的刚度减弱, 导致换热管的变形协调能力较强, 无法展现出管板的支撑作用。
第二, 换热器壳体应力分析。扭曲管的轴向应力在管子的横截面上呈现出分配不均匀情况, 会随扭曲管轴向刚度削弱系数的减小而增大。扭曲管的扭曲度越大, 则表明导程越小。
第三, 扭曲管轴向应力分析。扭曲管的扭曲比越大, 轴向应力分布越不均匀, 产生的导程越小。同时, 扭曲管轴向应力减小, 导致轴向应力的最大值逐渐增大。在进行扭曲管设计时, 需要做好平滑过渡处理, 防止由于几何缺陷所造成的应力集中现象的产生。
3 扭曲管套管换热器传热性能数值模拟
为了能够深入了解扭曲管管外流体的流动情况, 需要对入口管和出口管位置的流体流动情况进行了解, 需要运用非结构网格对管外部分进行离散, 运用映射方法对结构网格进行划分, 在换热管的两壁设置膨胀层, 做好网格加密处理, 并对网格质量进行及时检查, 确保计算的精准性。通过研究表明, 扭曲管管外的流线通常会沿着扭曲管管壁的曲线方向发展, 湍流程度会明显提高, 并且会随着扭曲程度的增加而增加。因此可知, 扭曲管换热器的壳程传热效果会比扭曲管套管换热器传热效果好。
4 结语
本文将扭曲管换热器作为主要的研究对象, 从扭曲管单管轴向刚度, 扭曲管换热器管板的有限元和扭曲管套管换热器传热性能数值模拟等三个方面进行分析, 明确了扭曲管换热器的传热强化及其机械性能, 为扭曲管换热器的工程设计提供了研究依据, 展现出了扭曲管换热器的应用价值, 为扭曲管换热器的设计标准奠定了基础。
参考文献
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[4]刘敏珊, 本希, 董其伍.螺旋扁管的换热性能研究[J].石油机械, 2013.
关于传热学的 篇2
1、一滴水滴到120度和400度的板上，哪个先干？试从传热学的角度分析？
答：在大气压下发生沸腾换热时,上述两滴水的过热度分别是△t=tw–ts=20℃和△t=300℃,由大容器饱和沸腾曲线,前者表面发生的是泡态沸腾,后者发生膜态沸腾。虽然前者传热温差小,但其表面传热系数大,从而表面热流反而大于后者。所以水滴滴在120℃的铁板上先被烧干。
2、锅铲、汤勺、漏勺、铝锅等炊具的柄用木料制成，为什么？ 答：是因为木料是热的不良导体,以便在烹任过程中不烫手。
3、滚烫的砂锅放在湿地上易破裂。为什么？
答：这是因为砂锅是热的不良导体, 如果把烧得滚热的砂锅,突然放到潮湿或冷的地方,砂锅外壁的热就很快地被传掉，而内壁的热又一下子传不出来，外壁冷却很快的收缩，内壁却还很热，没什么收缩，加以陶瓷特别脆，所以往往裂开。
或者：烫砂锅放在湿地上时,砂锅外壁迅速放热收缩而内壁温度降低慢,砂锅内外收缩不均匀,故易破裂。
4、往保温瓶灌开水时，不灌满能更好地保温。为什么？
答：因为未灌满时,瓶口有一层空气,是热的不良导体,能更好地防止热量散失。
5、煮熟后滚烫的鸡蛋放入冷水中浸一会儿，容易剥壳。为什么？ 答：因为滚烫的鸡蛋壳与蛋白遇冷会收缩,但它们收缩的程度不一样,从而使两者脱离。
6、用焊锡的铁壶烧水，壶烧不坏，若不装水，把它放在火上一会儿就烧坏了。为什么？
答：这是因为水的沸点在1标准大气压下是100℃,锡的熔点是232℃,装水烧时,只要水不干,壶的温度不会明显超过100℃,达不到锡的熔点,更达不到铁的熔点,故壶烧不坏.若不装水在火上烧,不一会儿壶的温度就会达到锡的熔点,焊锡熔化,壶就烧坏了。
7、冬天水壶里的水烧开后，在离壶嘴一定距离才能看见“白气”，而紧靠壶嘴的地方看不见“白气”。这是因为紧靠壶嘴的地方温度高，壶嘴出来的水蒸气不能液化，而距壶嘴一定距离的地方温度低；壶嘴出来的水蒸气放热液化成小水滴，即“白气”。
答：这是因为紧靠壶嘴的地方温度高,壶嘴出来的水蒸气不能液化,而距壶嘴一定距离的地方温度低；壶嘴出来的水蒸气放热液化成小水滴,即“白气”。
8、某些表演者赤脚踩过炽热的木炭，从传热学角度解释为何不会烫伤？不会烫伤的基本条件是什么？
答：因为热量的传递和温度的升高需要一个过程，而表演者赤脚接触炽热木炭的时间极短，因此在这个极短的时间内传递的温度有限，不足以达到令人烫伤的温度，所以不会烫伤。
基本条件：表演者接触炽热木炭的时间必须极短，以至于在这段时间内所传递的热量不至于达到灼伤人的温度
9、我们许多人都喜欢在冬天有暖暖阳光时晒被子，我们都会深有体会，冬天经过在白天太阳底下晒过的棉被，晚上盖起来会觉得很暖和，并且经过拍打以后，效果更加明显。为什么？
答：棉被经过晾晒以后，可使棉花的空隙里进入更多的空气。而空气在狭小的棉絮空间里的热量传递方式主要是导热，由于空气的导热系数较小，具有良好的保温性能。而经过拍打的棉被可以让更多的空气进入，因而效果更明显。
10、冬天，在相同的室外温度条件下，为什么有风比无风时感到更冷些？
答：假定人体表面温度相同时，人体的散热在有风时相当于强制对流换热，而在无风时属自然对流换热（不考虑热辐射或假定辐射换热量相同时）。而空气的强制对流换热强度要比自然对流强烈。因而在有风时从人体带走的热量更多，所以感到更冷一些。
11、在冬季的晴天，白天和晚上空气温度相同，但白天感觉暖和，晚上却感觉冷。为什么？
答：白天和晚上人体向空气传递的热量相同，且均要向温度很低的太空辐射热量。但白天和晚上的差别在于：白天可以吸收来自太阳的辐射能量，而晚上却不能。因而晚上感觉会更冷一些。
12、夏季在维持20℃室内工作，穿单衣感到舒适，而冬季保持在22℃的室内工作时，为什么必须穿绒衣才觉得舒服？
答：首先，冬季和夏季的最大区别是室外温度不同。夏季室外温度比室内温度高，因此通过墙壁的热量传递方向是由室外传向室内。而冬季室外气温比室内气温低，通过墙壁的热量传递方向是由室内传向室
外。因此冬季和夏季墙壁内表面温度不同，夏季高而冬季低。尽管冬季室内温度22℃比夏季略高20℃，但人体在冬季通过辐射与墙壁的散热比夏季高很多。根据上题人体对冷暖的感受主要是散热量的原理，在冬季散热量大，因此要穿厚一些的绒衣。
13、我们国家北方深秋季节的清晨，树叶叶面上常常结霜，、为什么霜会结在树叶上表面？
答：这是因为清晨，上表面朝向太空，下表面朝向地面。而太空表面的温度低于摄氏零度，而地球表面温度一般在零度以上。由于相对树叶下表面来说，其上表面需要向太空辐射更多的能量，所以树叶下表面温度较高，而上表面温度较低且可能低于零度，因而容易结霜。
14、窗玻璃对红外线几乎不透明，但是隔着玻璃依然会被太阳晒到的发热？为什么？
答：虽说窗玻璃对红外线不透明，但对可见光却是透明的，因而隔着玻璃晒太阳，太阳光可以穿过玻璃进入室内，而室内物体发出的红外线却被阻隔在窗内，因而房间内温度越来越高，因而感到暖和。
15、在寒冷的北方地区，现在建房越来越多的人开始采用多孔的空心砖。为什么？
答：在其他条件相同时，实心砖材料如红砖的导热系数约为0.5W/（m〃K）（35℃），而多孔空心砖中充满着不动的空气，空气在纯导热（即忽略自然对流）时其导热系数很低，是很好的绝热材料。
16、冬天，在相同的室外温度条件下，为什么骑摩托车比步行感觉更冷？
答：强制对流换热强度与流体壁面之间的相对速度有关，相对速度越大，对流换热越强。与步行相比，骑摩托车时相对速度较大，对流换热强度大，因此人体会散失较多的热量从而感到更冷些。皮手套和护膝，由于导热系数小且有一定厚度，增加了一层较大的导热热阻，使总传热热阻增大，从而可降低散热量，从而起到保护作用。
17、绿色住宅的一种节能方式（夏天少用空调冬天多用暖气）就是在其房屋前栽种几棵大型落叶乔木，尝试从传热学角度说明大树的作用。
答：夏天室内热负荷主要来自太阳辐射，如房屋前栽种几棵大树，枝叶繁茂会遮挡阳光，使房屋处于树荫下，可以凉快些，从而减少使用空调。到了冬天，树叶落光，太阳光线可直射到房屋上，因而又可推迟使用暖气时间或少用暖气。这样便可达到节能的目的。
18、滚热的食物盛在砂锅里比在铝锅里不容易冷,为什么？ 答：这是由于陶瓷的砂锅比金属的铝锅传热慢,锅壁又比较厚,热不容易传出来。
19、冬天时，用手摸72度的铁和600度的木材感觉一样吗，为什么？请用传热学的知识解释
答：一样，因为人手感觉到的冷暖实质是热量传递的快慢，而铁的导温系数远远大于木头的导温系数。不同的温差和不同的导热系数产生相同的热流密度,故导热效果相同。冬天，经过在白天太阳底下晒过的棉被，晚上盖起来为什么感到很暖和？并且经过拍打以后，为什么效果更加明显？
答：棉被经过晾晒以后，可使棉花的空隙里进入更多的空气。而空气
在狭小的棉絮空间里的热量传递方式主要是导热，由于空气的导热系数较小，具有良好的保温性能。而经过拍打的棉被可以让更多的空气进入，因而效果更明显。冬天，在相同的室外温度条件下，为什么有风比无风时感到更冷些？
答：假定人体表面温度相同时，人体的散热在有风时相当于强制对流换热，而在无风时属自然对流换热（不考虑热辐射或假定辐射换热量相同时）。而空气的强制对流换热强度要比自然对流强烈。因而在有风时从人体带走的热量更多，所以感到更冷一些。夏季在维持20℃室内工作，穿单衣感到舒适，而冬季保持在22℃的室内工作时，为什么必须穿绒衣才觉得舒服？
答：首先，冬季和夏季的最大区别是室外温度不同。夏季室外温度比室内温度高，因此通过墙壁的热量传递方向是由室外传向室内。而冬季室外气温比室内气温低，通过墙壁的热量传递方向是由室内传向室外。因此冬季和夏季墙壁内表面温度不同，夏季高而冬季低。因此，尽管冬季室内温度22℃比夏季略高20℃，但人体在冬季通过辐射与墙壁的散热比夏季高很多。根据上题人体对冷暖的感受主要是散热量的原理，在冬季散热量大，因此要穿厚一些的绒衣。利用同一冰箱储存相同的物质时，试问结霜的冰箱耗电量大还是未结霜的冰箱耗电量大？
答：当其它条件相同时，冰箱的结霜相当于在冰箱蒸发器和冰箱冷冻室（或冷藏室）之间增加了一个附加热阻，因此，要达到相同的制冷室温度，必然要求蒸发器处于更低的温度。所以，结霜的冰箱耗电量更大。有人将一碗热稀饭置于一盆凉水中进行冷却。为使稀饭凉得更快一些，你认为他应该搅拌碗中的稀饭还是盆中的凉水？为什么？ 答：从稀饭到凉水是一个传热过程。显然，稀饭和水的换热在不搅动时属自然对流。而稀饭的换热比水要差。因此要强化传热增加散热量，应该用搅拌的方式强化稀饭侧的传热。在寒冷的北方地区，建房用砖采用实心砖还是多孔的空心砖好？为什么？
答：在其他条件相同时，实心砖材料如红砖的导热系数约为0.5W/（m〃K）（35℃），而多孔空心砖中充满着不动的空气，空气在纯导热（即忽略自然对流）时其导热系数很低，是很好的绝热材料。因而用多孔空心砖好。电影《泰坦尼克号》里，男主人公杰克在海水里被冻死而女主人公罗丝却因躺在筏上而幸存下来。试从传热学的观点解释这一现象。答：杰克在海水里其身体与海水间由于自然对流交换热量，而罗丝在筏上其身体与空气之间产生自然对流。在其他条件相同时，水的自然对流强度要远大于空气，因此杰克身体由于自然对流散失能量的速度比罗丝快得多。因此杰克被冻死而罗丝却幸免于难。27 人造地球在卫星在返回地球表面时为何容易被烧毁？
答：卫星在太空中正常运行时，其表面的热量传递方式主要依靠与太空及太阳等星体的辐射。而在卫星返回地面的过程中，由于与大气层之间的摩擦，产生大量的热量，无法及时散失，因而易被烧毁。28 北方深秋季节的清晨，树叶叶面上常常结霜，试问树叶上、下表面的哪一面结霜？为什么？
答：霜会结在树叶上的表面。因为清晨，上表面朝向太空，下表面朝向地面。而太空表面的温度低于摄氏零度，而地球表面温度一般在零度以上。由于相对树叶下表面来说，其上表面需要向太空辐射更多的能量，所以树叶下表面温度较高，而上表面温度较低且可能低于零度，因而容易结霜。窗玻璃对红外线几乎不透明，但为什么隔着玻璃晒太阳却使人感到暖和？
答：窗玻璃对红外线不透明，但对可见光却是透明的，因而隔着玻璃晒太阳，太阳光可以穿过玻璃进入室内，而室内物体发出的红外线却被阻隔在窗内，因而房间内温度越来越高，因而感到暖和。30 在太阳系中地球和火星距太阳的距离相差不大，但为什么火星表面温度昼夜变化却比地球要大得多？
答：由于火星附近没有大气层，因而在白天，太阳辐射时火星表现温度很高，而在夜间，没有大气层的火星与温度接近于绝对零度的太空进行辐射换热，因而表面温度很低。而地球附近由于大气层（主要成份是CO2和水蒸气）的辐射作用，夜间天空温度比太空高，白天大气层又会吸收一部分来自太阳的辐射能量，因而昼夜温差较小。31 在冬季的晴天，白天和晚上空气温度相同，但白天感觉暖和，晚上却感觉冷。试解释这种现象。
答：白天和晚上人体向空气传递的热量相同，且均要向温度很低的太空辐射热量。但白天和晚上的差别在于：白天可以吸收来自太阳的辐射能量，而晚上却不能。因而晚上感觉会更冷一些。32 住新房和旧房的感觉一样吗？
《传热学》教学方法的探讨与实践 篇3
关键词：《传热学》,教学方法,工程应用,CFD
一、引言
《传热学》课程着重研究热量传递的规律和方法, 是建筑环境与设备工程专业本科生的一门重要的专业基础课[1,2], 在许多工程技术领域里应用十分广泛。随着我国高等教育教学改革的不断深化, 在“重基础、宽口径”的指导方针下, 各高校公共基础课程课时增加, 而专业课程及专业基础课程的课时都相对减少, 《传热学》课程也不例外[3,4]。这就导致专业课程和专业基础课程教学过程中的一些矛盾的出现, 主要矛盾是教材内容多, 教学质量要求高, 而教学课时少。如果教师在有限教学学时的情况下, 仍然沿用照本宣科的教学方法, 不仅教学内容上教不完, 而且难以取得良好的教学效果。因此, 重新探讨《传热学》的教学方法势在必行。
二、基于工程应用的教学方法
学习《传热学》的最终目的是解决与传热有关的工程实际问题。而目前高校《传热学》的讲授基本上是照本宣科, 明显地忽视了学生专业技能的培养, 脱离工程实际应用。而实际上建筑环境与设备工程专业的《传热学》的教学内容很大部分是围绕着建筑环境与设备工程专业中出现的典型传热问题而展开的, 在工程实际中能找到教材中所讲内容的原型。例如, 第二章中的无限大平壁和圆筒壁的导热、肋片的导热, 分别对应工程实际中的建筑围护结构、供冷供热管道、换热器中肋片的导热问题。对流换热部分中讲到的平板外掠对流换热、管内对流换热、外掠圆管对流换热、凝结换热、沸腾换热等分别对应着空气外掠建筑围护结构对流换热、换热器内管内流体与管壁的对流换热、换热器管外流体与管壁的对流换热、冷凝器中制冷剂蒸气凝结为液体时与管壁的对流换热、蒸发器中制冷剂液体变成蒸气时与管壁的对流换热。因此在教学过程中, 在讲授某节内容之前, 先提出工程实际问题, 让学生带着他们最感兴趣的问题听课, 等讲完该节内容后, 让学生思考解决上课之前提出的工程实际问题。例如在讲到周期性非稳态导热时, 就提出建筑蓄热问题、夏季冷负荷和冬季热负荷的计算差异。为了能够顺利的进行基于工程应用的《传热学》教学, 关键在于教学情境和工程问题的设计。教学情境和工程问题的设计应考虑到以下几个方面: (1) 从工程应用出发, 精心设计学习模块, 必须使所设计的模块覆盖到《传热学》课程所必须掌握的主要知识点, 模块设计的优良是学生能够进行系统学习的关键环节。 (2) 设置的问题应从工程中提炼出来且具有启发性和可研究性。问题的设置应紧紧围绕着学习模块, 并应能培养学生解决问题的能力和团队协作精神。 (3) 教学顺序按照学习模块来安排, 先介绍基本概念和基本理论, 然后根据需要适当延伸和拓展。 (4) 以学生为中心。面向每个学生, 尊重每个学生发展的特殊需要, 鼓励学生在解决问题过程中的学习体验和创造性表现, 充分调动学生寻求问题答案过程中的积极性和主动性。
三、理论教学中融入CFD的教学方法
《传热学》教材中给出的结论或公式大多是将实际问题简化后, 通过理论推导得出的。而对实际问题所发生的现象, 往往以现有的公式或理论难以作出解释。针对这类问题, 必须借助于计算流体力学CFD对其温度场和流场进行数值模拟。这样直观形象地展示传热规律, 既增强了学生学习的兴趣与动力, 也使其从枯燥的灌输中解放出来, 又能在动手模拟中加强对传热基本概念、规律的理解和掌握。例如, 在讲到第二章的复合平壁的稳态导热问题时, 为帮助学生理解无限大复合平壁的稳态导热问题并不是一维导热问题, 而是二维或三维导热问题时, 笔者在上课前, 对空斗墙导热问题和由一种材料构成的无限大平壁导热问题进行了数值模拟, 如图1。通过对两种情况下的温度场的绘制和比较, 形象化地证明了空斗墙导热问题并不是一维导热问题, 尤其当构成空斗墙的两种材料的导热系数相差较大时, 把该导热问题看成一维导热问题来计算导热量将产生较大误差。
四、设置课后大作业和组织讨论相结合的教学方法
由于教学课时有限, 在教学过程中只能侧重于重点和难点内容, 许多了解内容只能抛砖引玉。为弥补课堂教学课时的紧张, 拓宽学生的知识面, 培养学生的开拓创新能力, 笔者给学生布置大作业和课题。在实际的教学中, 将学生分成若干组, 要求学生利用课余时间查阅文献, 自己组织讨论, 最后提交讨论的报告或论文, 并根据其提交的报告或论文质量给出平时成绩, 以其作为课程成绩的一部分。例如, 在讲完“导热问题的数值解法”一章后, 给学生布置关于“导热问题温度场的求解“的编程题。在实际的教学中, 先根据学生对计算机编程语言的掌握和运用情况, 将学生分成若干组, 给每个小组设置不同的题目, 最终提交的报告内容包括以下几个部分:描述物理问题的数学微分方程, 数学微分方程的离散方程, 程序框图, 计算程序, 计算结果, 结果讨论与分析。通过这一编程题的强化练习, 让学生深切感受到对所学知识的学以致用, 将原先觉得枯燥无味的计算机编程语言与专业课程有机结合起来, 对原先觉得毫无关联的两门课程有了崭新的认识。让他们觉得更有趣的是, 当数学微分方程无法求解的时候, 也可以变成代数方程, 然后用线性代数的方法来求解, 从而让他们掌握一种解决传热问题的方法, 即数值解法。通过这一课后大作业的练习, 让他们感受到一种自己独立解决问题的喜悦和团队合作精神。
为了解决课时少和教学质量要求高的矛盾, 寻求新的《传热学》教学方法势在必行。基于工程应用的教学方法、理论教学中融入CFD的教学方法、设置课后大作业和组织讨论相结合的教学方法能够使学生在参与过程中得以学习, 从而激发学生学习传热学的兴趣, 增强学生学习传热学的积极性和主动性, 从而达到良好的教学效果。
参考文献
[1]杨世铭, 陶文铨.传热学[M].北京:高等教育出版社, 2006:1-8.
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传热学课程教学改革的分析与探讨 篇4
1 传热学课程的特点与现阶段教学过程存在的问题
根据笔者近几年的传热学课程教学经验,热学课程的特点和传热学教学过程中存在的问题是因与果的关系,具体分析如下。
(1)传热学与工程热力学、流体力学并称能源动力类专业的三大专业主干课程,但是传热学与其他两门课程又有所区别。工程热力学、流体力学相对偏重理论知识、概念虽然比较抽象,但是系统性较强。例如:工程热力学中先介绍热力学第一定律,然后再谈论第二定律,两大定律之间有区别亦有联系,知识层次有先易后难的关系。但是,传热学是研究自然界中3种基本传热方式的科学,并且每种传热方式都有各自的特点和理论体系,相互之间的关联不是太强,例如:传热学首先介绍热传导、再依次介绍热对流、热辐射,三者之间的知识点结合较少,知识体系相对较松散。另外,由于传热学课程中涉及的概念、公式、图表繁多,并且有些公式较为复杂,这造成了学生不知如何学习、不知如何运用已学知识的尴尬处境。
(2)传热学是一门发展中的科学。由于传热学与很多领域有关,因此传热学知识体系中有许多物理模型并不完善,还处于研究阶段。许多介绍传热学的书本根据不同学科的发展都加入了一些较新的前沿知识[1,2,3]。例如:杨世铭、陶文铨主编的《传热学》由第一版的450页增加到了第四版的591页,在原来的基础上增加了微尺度传热、射流冲击传热等传热学的新兴研究领域,图1所示的燃气轮机叶片冷却即为近几年衍生出的射流冲击传热的具体应用。传热学的知识点在增加,但传热学的学时并没有相应增加,以我校为例:传热学的教学学时却仍然维持在56学时不变,这就导致了教师在授课过程中将重点放在完成教学任务上,而很容易忽略培养学生掌握传热学知识体系的方法以及正确运用传热学知识解决实际问题的能力。学生由于不能正确掌握知识,久而久之就会产生畏学的消极情绪,积极性大大降低。
(3)不同的专业侧重点不同。例如,对能源与动力工程专业学生来讲,就希望多了解一些管内两相流动与沸腾传热、烟气复合传热等方面的知识[4],轮机工程的学生则希望多了解一些发动机内部燃烧过程涉及的传热现象,而其他专业也有相应的关注点。但是,大多数传热学书本上介绍的是适用于所有专业的基础知识,即使新增一些知识,也不一定满足某些专业的需求,这就造成了传热学的知识与现实需求相矛盾的结果。
2 教学方法的革新
2.1 教学内容方面
爱因斯坦说过:“兴趣是最好的老师,老师则是点燃学生学习兴趣的火炬”。因此教师合理选择教学内容是至关重要的。笔者认为,应当确立以能量守恒定律为基础,3种不同热量传递方式为主线的教学内容,并且在此基础上,教师在授课过程中应该引入与授课专业相关的工程知识或是同领域的前沿知识,例如,对于能源与动力工程专业,可以适当穿插一些工业领域的新型强化传热方式;对于建筑环境与设备工程专业,介绍一些人工环境、建筑节能的知识。这样的教学内容,可以使学生在学习到基本理论知识的同时,了解所学知识在实际工程中的应用,增强对工程的感性认识。另外,在介绍原理性知识的时候,教师应该多举一些生活中司空见惯的例子,例如:为什么手接触同一温度的金属和木头时会感觉到不同的温度;同样是25℃的室温,为什么在夏天人感到热,而冬天则感到冷;沸水和冷水同时放入冰箱,为什么沸水会先结冰?如此可以激发学生的兴趣,促使他们积极思考,既锻炼了学生的思维,又使其学习效率大大提高。
此外,由于传热学是一门以实验为基础发展起来的科学,因此在学习理论知识的同时,授课教师还应该强调实验的重要性。通过实验,学生不仅可以深化对理论知识的理解,同时还可以学习到某些热工参数的测量方法,这对学生在未来专业工作中制订参数测量方案、建立正确设计思路是极为重要的。
2.2 工程观点培养方面
传热学是一门与实际联系紧密的科学,这有别于工程热力学的抽象性。但是由于现有教材编写的固有模式以及传统的教学方式,导致教师在教学过程中侧重于理论与公式的讲解,这导致学生从心理上认为该课程不重要或是不实用,而当学生日后真正走上工作岗位遇到实际工程问题时才意识到“书到用时方恨少”。因此,在教学过程中,教师应该多引用一些实际的工程案例进行介绍。例如:对于能源与动力工程专业,可以举一个换热器综合设计的例子,分析换热器传热系数的大小,在分析该工程实例的过程中,一方面使学生掌握了管内强制对流、管外强制对流不同实验关联式的异同及正确地选用原则,同时也训练了学生将理论应用于实际的能力。
在引入工程实例的基础上,在教学过程中可适当开设一些工程专题讨论,指导教师课前布置一些工程题目,让学生分成不同小组,以小组为单位对该工程问题进行综合分析并得出结论。工程题目要求贴近实际且具有一定综合性,例如:一幢玻璃建筑有两种设计方案,即采用普通钢化玻璃与low-e玻璃,试分析两种情况下建筑在夏季的冷负荷、建筑成本与若干年内的运行费用。学生通过类似的例子,可以加强独立思考问题的能力,同时在综合考虑设计与成本时可以有效培养自己的工程思想,建立起对工程问题的理性认识。另外,在进行专题讨论时,教师应明确指出学生设计或分析的不合理之处,并讲明此类错误或是失误会造成怎样的危害,同时也可列举一些实际工程中的失败案例从反面教育学生,让学生建立起科学、严谨的对待问题的态度,培养学生的职业道德。
2.3 考评机制的优化
传统的传热学课程考评通常以期末考试成绩为主,以我校为例,总评成绩中期末考试成绩占70%,考勤及作业成绩占20%,课内实验成绩仅占10%。这样的考评机制导致学生只重视考试,对书本知识死记硬背,甚至有些学生指望考前突击、临时抱佛脚。为了改变这一现状,需要对现有的考评机制进行一定优化,具体优化方案如下。
(1)适当削弱期末考试成绩所占比重,例如从原来的70%下降到50%。
(2)为了让学生重视实验,可加大课内实验成绩所占比重,例如从原来的10%增加到20%。
(3)考评加入专题讨论的成绩,例如比重可占10%。一方面显示出专题讨论的重要性另一方面该激励机制也可增加学生对专题讨论的兴趣。
3 教学手段的创新
3.1 多媒体教学与传统教学结合
传热学是一门集理论知识、工程应用为一体的专业课程,由于经常涉及一些工程案例和物理现象,因此很难单纯通过教师的语言表达清楚。为了达到教学目的,应当采用传统教学与多媒体教学相结合的方式。传统教学以教师的口述、板书为主,这样的授课方式对于任何一门课程而言都是非常重要的。板书是课程的要点与精髓,通过板书教师不仅可以调动学生的注意力,也可以使学生清楚地了解教师上课的内容、明白知识点之间的关联与逻辑关系。而对于无法准确用语言阐述的工程案例,则可以采用多媒体的方式进行演示,演示方式包括:图片、动画、视频等。例如,传热学中关于流体外掠圆管边界层的发展与脱体现象,就可以采用动画演示,学生再也不用对着书本上呆板的文字苦思冥想而不得其解。
3.2 仿真软件教学
传热学的发展历程中,形成了实验研究、理论分析、数值计算3种主要的研究方法。实验研究是传热学的基础,也是传热学的起源,它为传热学的分析提供了很多重要数据,但是其代价高昂、需时较长。理论分析是利用数学方法在定解条件下解偏微分方程,准确地描述了不同传热现象的本质,是深入理解传热现象的重要手段,同时现阶段的理论公式、图表很多是通过此方法得出的,但是由于数学上的困难,大多数复杂的工程问题都无法通过理论分析求出,因此使用不便。数值计算是随计算机快速发展而衍生的产物,它将传热学中复杂的偏微分方程组转化为代数方程,采用不同的迭代方法得出近似解,具有易操作、形象直观、代价较低、耗时较少的优点,因此工程中越来越倾向于采用此方法,图2为利用Ice Pak仿真软件得出的电子器件温度分布。有关传热学及相关领域的专业软件非常多,如:ANSYS,Fluent,COMSOL,CFD-ACE+等。在传热学教学过程中,可引入数值模拟软件的学习。一方面,类似Fluent之类的模拟软件在很多领域都有广泛应用,成为一种重要工具,学生应当掌握;另一方面,学生可通过在软件中对边界条件进行定义,从而深化对传热学现象的认知以及对理论知识的理解。最后正确利用软件模拟出的结果,还可以使传热学的一些内容变得直观易懂,如在讨论一维平板非稳态导热的非正规过程时,学生就常常不理解平板内部的温度随时间的变化趋势,而利用Fluent计算得出的动画结果,学生就很容易掌握。
4 结束语
当前的大学教育以培养复合型工程人才为出发点,而传热学作为许多工科专业的重要基础课程,具有公式多、知识点分散、实用性强等特点。因此,在传热学的授课过程中,教师应当扭转传统的教育思想与教育方法,应该深入分析造成传热学教学过程中诸多问题的深层原因,在教学方法、教学手段上进行必要的创新,提高学生的学习兴趣、锻炼学生独立思考问题的能力、培养学生具有科学严谨的工程素质与解决实际工程问题的创新能力,努力为国家的发展、社会的建设培养综合型的优秀人才而努力。
摘要：根据传热学课程的特点以及教学过程中存在的问题,从教学方法革新、教学手段创新等方面探寻解决问题的途径,并在此基础上深化传热学课程的教学效果,以适应现代科学研究与产业发展对学生专业素质的需求。
关键词：传热学,教学方法,教学手段
参考文献
[1]杨世铭,陶文铨.传热学[M].第四版.北京:高等教育出版社,2006.
[2]戴锅生.传热学[M].第二版.北京:高等教育出版社,1999.
[3]王厚华.传热学[M].重庆:重庆大学出版社,2006.
传热学理论在食品冷链物流中的应用 篇5
一、传热学的概念
传热学是研究在温差作用下的热量传递规律的一门学科, 热量传递可以通过三种不同的方式进行, 即热传导、对流换热和辐射换热, 三种传热方式遵循着各自不同的基本定律。在传热过程中, 为提高热能利用的经济性而采取的增强或削弱传热的种种措施, 都来源于对三种基本传热方式基本规律的研究。
在食品生产和运输过程中, 传热问题通常可分为两类:一类是要求设备传热性能良好, 以达到挖掘传热设备的潜力或缩小传热设备的尺寸, 并完成所有要求的传热任务的目的;另一类是减少或抑制热量的传递, 以达到节约能量, 维持操作稳定, 改善操作人员的劳动条件等目的。
二、食品冷藏链的组成
食品冷藏链是指易腐食品在生产、贮藏、运输、销售直至消费前的各个环节中始终处于规定的低温环境下, 以保证食品质量, 减少食品损耗的一项系统工程。按食品从加工到消费所经过的时间顺序分类, 食品冷藏链由冷冻加工、冷冻贮藏、冷藏运输和冷冻销售四个方面构成。冷冻加工包括肉类、鱼类的冷却与冻结, 果蔬的预冷与速冻, 各种冷冻食品的加工等, 主要涉及冷却与冻结装置;冷冻贮藏包括食品的冷藏和冻藏, 主要涉及各类冷藏库、冷藏柜、冻结柜及家用冰箱等;冷藏运输包括食品的中、长途运输及短途送货等, 主要涉及铁路冷藏车、冷藏汽车、冷藏船、冷藏集装箱等低温运输工具。冷冻销售包括冷冻食品的批发及零售等, 由生产厂家、批发商和零售商共同完成。按食品冷藏链中各环节的装置分类, 可分为固定的装置和流动的装置。固定的装置包括冷藏库、冷藏柜、家用冰箱、超市冷藏陈列柜等。冷藏库主要完成食品的收集、加工、贮藏及分配;冷藏柜和冷藏陈列柜主要完成供机关团体的食堂及食品零售用;家用冰箱主要是为冷冻食品的家庭供应所用;流动的装置包括铁路冷藏车、冷藏汽车、冷藏船和冷藏集装箱等。
三、传热学理论在食品冷链物流中的应用
1. 食品热性质参数在食品冷链物流中的重要作用
食品的热性质参数包括比热容、热导率和热扩散系数等。比热容是单位质量产品在不改变状态情况下, 温度改变一个单位所获得或失去的热量。食品比热容受到食品的组成、水分含量、温度和压强等多方面的影响。食品的热导率是一个用于计算传热速率的重要性质。热导率的定量表达是, 单位时间内, 传导通过单位厚度食品材料的热量。食品热导率不仅和食品材料的组分、颗粒大小等因素有关, 还与材料的均匀性有关。食品的热扩散系数是一个与热导率、密度和比热容相关的比值, 反映了材料在传热过程中温度的传递速率。在进行食品加工过程或运输加工设备设计时, 我们就需要了解食品和设备材料的比热容、热导率和热扩散系数等热性质参数。
2. 传热模型在食品冷链物流中的应用
在食品冷链物流过程中, 伴随着导热、对流和热辐射三种传递热量的方式。例如, 蔬菜、水果在其贮藏、加工、运输过程中均伴随热量的交换和传递, 对这些加工工艺及其设备的设计, 都需了解热传递过程中的热流量以及食品各处各时刻的温度分布, 这些问题的解决就需要应用定量的手段给以解决。传热模型就是通过大量实验总结的规律, 建立合理的物理模型和数学模型, 然后利用数学分析方法进行求解, 对难以利用解析法求解的问题, 可以用数值求解方法和电阻计算机进行求解。
3. 食品冷链物流中的稳态传热情况
在食品冷链物流过程中, 对于传热问题, 通常要考虑稳态和非稳态条件。稳态条件传热意味着物体内部的温度场分布不随时间而变, 但物体内部不同部位温度可以不同。在非稳态条件下, 温度同时随位置和时间而变。比如, 在食品贮藏冷库中, 冷库墙内壁温度由制冷作用维持在6℃, 而墙外温度日夜都在变化。假定一天中有几个小时的温度维持在20℃不变, 那么, 在此时间段内热量从墙外传入冷库的条件就是稳态条件。墙截面上任何位置的温度将维持不变, 但这一点的温度与墙内传热方向上其他位置的温度是不同的。虽然真正的稳态条件很少见, 但它们的数学分析却很容易, 因此, 在大多数情况下, 我们总是用稳态条件来对给定问题进行分析, 以获得有用的设备和加工过程设计的信息。
4. 食品冷链物流中的非稳态传热情况
非稳态传热是温度随位置和时间而变的加热或冷却过程。在稳态传热中, 温度只与位置有关。但是, 当食品在冷却和热加工中, 整个过程可以发生在非稳态时期, 因此非稳态期是食品物流过程中的重要时间段, 这类过程设计必须对温度随时间变化的非稳态期加以分析。比如, 在上述的冷库中, 如果墙外的温度是变化的, 例如增加到3 0℃左右, 那么, 通过墙的传热是非稳态的, 因为此时墙内的温度将随时间和位置而发生变化。这时, 就需要建立非稳态的传热计算模型来进行分析。
参考文献
[1]华泽钊 李云飞 刘宝林:食品冷冻冷藏原理与设备[M]. 北京:机械工业出版社, 1999
[2]王补宣:工程传热传质学 (下册) [M].北京:科学出版社 2002
关于传热学的 篇6
“传热学”是研究热量传递规律的一门科学, 作为本学院某重点专业的一门必修专业基础课, 在专业课程链体系中处于极为重要的地位。“传热学”的学习为后继的专业课程提供了必要的理论基础以及分析解决工程问题的能力。由于“传热学”是从基本物理定律出发, 针对热量传递的不同过程, 建立物理和数学模型, 确定条件并求解 (分析解、数值解或实验关联解) [1], 最终用建立起来的传热理论去解释传热现象, 计算传热规律, 指导工程实践, 故而在整个教学过程中贯穿并体现了极强的数学思想[2]。为了不断满足学院关于提高授课质量的教学要求, 作者结合近几年“传热学”教学中的一些研究和探索, 在本文中对于数学思想在“传热学”教学中的应用进行较深入的探讨。
数学思想是指人们对数学理论和内容的本质的认识, 数学方法是数学思想的具体化形式, 实际上两者的本质是相同的, 差别只是站在不同的角度看问题, 通常混称为“数学思想方法”。数学中有三大思想方法, 即分类讨论、转化以及数形结合。本文通过分析这三大思想在“传热学”教学过程中不同程度的应用, 提出在课堂教学中积极使用数学思想, 对于提高课堂教学的质量, 开拓学生思路, 培养学生逻辑思维能力, 具有良好的效果, 下面分别进行讨论:
分类讨论
在求解某些问题时, 会遇到多种情况, 需要对各种情况加以分类, 并逐类求解, 然后综合得解, 这就是分类讨论法。分类讨论是一种逻辑方法, 体现了一种重要的数学思想, 即化整为零、积零为整的思想与归类整理的方法。有关分类讨论思想的相关问题具有明显的逻辑性、综合性、探索性, 能训练人思维的条理性和概括性。
比如在研究对流换热过程分类的教学过程中, 由于影响对流换热的因素很多, 故而这个现象的表现很复杂。为了加深学生学习这个现象的影响, 可以采用分类讨论的方式进行讲解, 例如根据物体几何条件的差异, 可以把传热问题分为壁和管两大类;根据传热边界条件不同, 把传热问题分为定热流、定壁温和对流换热边界等;根据流动方式, 把对流换热分为层流换热和湍流换热;根据物体所处位置, 把壁面对流换热问题归结为竖板换热和平板换热两类;把圆管对流换热分为管内换热和管外换热两类等。通过对不同传热问题的分类讨论, 再针对每一类传热问题辅以典型的工程实践分析, 找出其中的共性规律, 灵活掌握求解方法, 就能使学生化繁杂为系统, 化零乱为条理, 取得较好的学习效果, 进一步提高学生在学习对流换热过程中的认识和理解。
转化
转化是把未知的问题转化到在已有知识范围内可解的问题的一种重要的思想方法。通过不断地转化, 把不熟悉、不规范、复杂的问题转化为熟悉、规范甚至模式法、简单的问题。等价转化思想无处不见, 自觉地转化意识将有利于强化解决问题的应变能力, 提高思维能力和技能、技巧。转化分为等价转化与非等价转化。等价转化要求转化过程中前因后果是充分必要的, 才保证转化后的结果仍为原问题的结果。非等价转化其过程是充分或必要的, 要对结论进行必要的修正, 它能给人带来思维的闪光点, 找到解决问题的突破口。在应用时一定要注意转化的等价性与非等价性的不同要求, 实施等价转化时确保其等价性, 保证逻辑上的正确。
著名的数学家, 莫斯科大学教授C.A.雅洁卡娅曾在一次向数学奥林匹克参赛者发表《什么叫解题》的演讲时提出:“解题就是把要解题转化为已经解过的题”。等价转化思想方法的特点是具有灵活性和多样性。在应用等价转化的思想方法去解决问题时, 没有一个统一的模式去进行。它可以在数与数、形与形、数与形之间进行转换;它可以在宏观上进行等价转化, 如在分析和解决实际问题的过程中, 普通语言向数学语言的翻译;它可以在符号系统内部实施转换, 这些都体现了等价转化思想。
在“传热学”的教学过程中, 转化思想可谓始终是贯穿其中。运用转化思想去分析和解决“传热学”中的一些问题, 可以说是事半功倍。例如, 在讲授平板表面的对流换热时, 结合学生所学过的流体力学课程中表面摩擦系数的相关内容, 将两者思想进行转化, 就更加容易理解记忆对流传热的有关准则数及关联式等方面的内容。又如, 在讲授一维稳态导热问题时, 将导热思想转化为导电思想, 对照电阻与热阻、电流与热流、欧姆定律与傅立叶定律等概念与公式, 结合学生已掌握的电学知识, 就容易使学生理解稳态条件下热量传递过程的串联热阻叠加原理, 掌握利用热阻分析增强和削弱传热的方法。另外, 在讲授常数导热系数与非常数导热系数物质的一维平壁导热时, 将与温度相关的非常数导热系数线性变化转化为某一与温度无关的常数导热系数定值, 这样就把比较复杂的非常数导热系数一维平壁导热问题转化为比较简单的常系数导热问题, 提升了学生解决复杂问题的能力。
在“传热学”课程教学中, 可以举出的类似例子比比皆是, 尤其是前不久的一次授课过程中, 将一个比较复杂的问题转化为简单问题, 课后学生反映很好。在讲授肋片稳态导热问题中, 对模型进行了相应的简化, 在肋端散热问题上采取了绝热考虑, 避免了第三类边界条件产生导致的求解困难问题, 但是在实际问题中, 肋端散热是一个必须考虑的问题, 故而需要在工程上对求解的结果进行相应的修正。可是如何进行修正, 这是一个复杂的问题。例如求解得到高度为h的肋片的热流量Q=αPhθ0th (mh) /mh, 这个结果是不考虑肋端散热的, 具有一定的误差。而运用转化思想, 将考虑肋端散热的肋片转化为不考虑肋端散热的肋片, 这样问题就得到了解决, 具体转化思想如下图所示:
假设将散热的肋端从中剖开, 然后分别向上和向下翻转, 这样就形成了一个新的没有肋端的肋片, 可以认为这个新的肋片肋端绝热, 只不过转化后的肋片高度增加, 因此只要将肋片热流量公式Q=αPhθ0th (mh) /mh中代表肋片高度的h转化为h+δ/2, 就可以得到修正后的肋片热流量公式。这样的转化过程直观简明, 将一个比较复杂的问题简单化, 具有良好的教学效果。
数形结合
数形结合是一个数学思想方法, 包含“以形助数”和“以数辅形”两个方面, 其应用大致可以分为两种情形:或者是借助形的生动和直观性来阐明数之间的联系, 即以形作为手段, 数为目的, 比如应用函数的图像来直观地说明函数的性质;或者是借助于数的精确性和规范严密性来阐明形的某些属性, 即以“数”作为手段, “形”作为目的, 华罗庚先生说过:数缺形时少直观, 形少数时难入微, 数形结合百般好, 隔裂分家万事休。
“传热学”教学过程中, 在肋片导热过程的分析过程中, 就体现了这种数学思想。例如在求得肋片的温度场分布时, 可以得到沿肋片表面一维过余温度的函数表现形式为:θ/θ0=ch[m (x-h) ]/ch (mh) , 但是沿着肋片方向其温度具体变化是什么, 是变化趋势越来越快还是越来越慢, 或者是其他变化, 学生得不到感性的认识, 达不到良好的教学效果。而通过对余温度场函数的分析, 结合数形结合的思想, 可以得到沿着肋片方向过余温度呈现一种双曲函数的变化形式, 如下图所示:
可以从图中清晰地看出沿着肋高方向过余温度变化形式呈现越来越平缓的趋势, 学生通过数形结合思想学习此次内容, 找到肋片的传热规律, 同时得到了比较感性的认识, 这对于理解和掌握本次内容, 进而指导工程实践具有很好的效果。
结束语
学院培养学生的主要途径依然是课堂教学, 在课堂教学中充分运用相关的数学思想, 探索有效的教学方式和方法, 培养学生运用数学思想去发现问题和解决问题的能力, 充分发挥学生的积极性与主动性, 进而提高教学质量和效率, 这对培养学生的创新能力和解决实际工程问题的能力, 培养高素质的现代化国防建设人才大有益处。
摘要：针对“传热学”课程的特点和该课程中所体现出的数学思想, 介绍了数学中三大思想:分类讨论、转化和数形结合在“传热学”教学过程中的应用, 同时对其他课程授课质量的提高也有积极作用。
关键词：传热学,数学思想,转化,授课质量
参考文献
[1]刘立平, 师少鹏.传热学课程教学的改革探索。高等农业教育, 2004, 3 (3) :74-75
[2]何宏舟, 邹峥.“工程热力学课程”教学方法研究。中国电力教学, 2002 (6) :41-45
[3]杨世铭, 陶文铨.传热学 (第4版) [M]。北京:高等教育出版社, 2006
关于传热学的 篇7
关键词：工程教育,传热学,课程,教学质量
现代能源工程系统的复杂化、大规模化及跨领域发展对工程师的学习能力、创新能力和对新技术的应用能力提出了更高的要求。对于能源与动力类专业的学生来说,工程能力和创新能力是步入社会体现各种能力的基础。传热学课程是能源与动力工程专业一门重要的专业基础课程,是学习后续相关专业课程的核心基础。本课程内容知识点多、概念多,具有较强的理论性和抽象性,且实际工程应用面广,这对学生应用理论知识分析和解决实际问题的能力提出了很高的要求。在近几年的教学实践中,注意到多数学生能够掌握传热学的知识点,但在应用传热学理论知识分析实际问题能力欠缺,对工程的认知程度较低。有鉴于此,传热学教学团队尝试借鉴国际上先进的工程教育模式构建新的传热学教学体系,期望能改善能源与动力工程教育质量,达到工程教育的人才培养目标。为了评估工程教育的实施效果,本文采用调卷问查的形式了解学生对课程内容的接受度,考察学生的学习成效以及评估学生的工程应用与认知能力的程度,期望为未来的教学改进指明了努力的方向。
一、研究方法与过程
本研究以桂林航天工业学院能源与动力工程大三、大四学生已修传热学课程的学生为研究对象,根据传热学课程CDIO工程教育改革的目标提出研究框架。采用无记名网络问卷调查方法收集课程教学成果,共计回收可用问卷66份。问卷的设计内容包括:基本资料、传热学学习困扰、学习成效、工程应用与认知等方面。考虑学生的背景因素可能直接或间接影响学习过程,故本次调查项目设定如下:受访对象的基本信息:年级、性别、兴趣专长、公共事务参与意愿、专业方向(低温工程、空调工程以及动力工程)、平常表现、成绩分布以及传热学课程的考核分数。公共事务参与指班级干部与实验组长及大学创新项目负责人,以了解学生是否具有组织领导能力。课程学习困扰共分四大项:首先是课程方向性与未来就业,主要了解学生对传热学课程内容的掌握程度,能否顺利完成不同层次的实验项目以及课程融入就业市场与未来趋势的可行性。其次是实验参与度方面,含学生与教师的互动、实验气氛的融入、实验设备的操作、了解学生的互动有无责任心。再次是实验能力的表现、实验的整理数据及其分析的能力。最后是资源与分配部分,叙述学习资源、测量仪器布置、材料分配、学习负荷、实验流程安排能否达到学生的需求。依据实际状况设置“非常困扰”、“有困扰”、“基本没有”、“完全没有”、“不清楚”五种选项。学习成效调查主要关注学生在主要学习单元的学习成果,分如下主要知识点:稳态导热、非稳态导热、对流换热、辐射换热、传热过程及换热器等,探讨的重点是专业知识的了解,包含传热的物理机制、数学推演、试题求解、工程应用等,根据受访者自我实际认知选填“毫无所知”、“不太了解”、“一般”、“基本了解”和“完全了解”五个选项,以了解受访者在课程学习后的学习成效,本项采用逆向计分。传热学应用与认知是CDIO工程教育成果考察的重点,主要包括以下考察点:工程的认知度增加与否、是否形成节能减排、能源高效利用的可持续发展理念、是否可自主设计和执行实验、是否能提升数据分析解析能力、团队合作的配合度以及教师评分方法和课程的满意度。在教师评分方法和课程满意度处预留开放空格,期许学生能够提供更有效的评分及教学方式,以作为日后教学上的改进。
二、结果与分析
本研究对象的背景为男性占大多数为80%,女性则为20%;大三和大四学生约各占一半。上述受访人员比例与专业方向人数比例基本一致。成绩表现以70~80分占38.1%为主分布,分数为80~90分(22.33%)和60~70分(25.4%)居中,而60分以下占7.94%。公共事务以没有参与者(46.3%)占最多,仅参与一次者(33.33%)次之,两次参与者(6.35%)最少。由上述背景信息可以看出,研究对象以男性为主,此点正好为理工科专业常态分布学生。
1.受访者的学习困扰。通过对学习困扰的调查,可了解学生的学习状况,为下一步的教学改进提供努力方向。本研究问卷表将“传热学学习困扰”选项作为负面叙述。结果可发现六大学习能力培养中有学习困扰者较多,除传热学实验课程外,其他几项有困扰人数比例较高。其中,在传热机理和习题解答方面,有困扰的受访人数比例高达61.9%。在数学推演和工程应用方面表示非常困扰的比例分别为25.4%和20.63%,这一结果说明了目前学生的数学基础欠扎实,应用传热学知识解决实际工程问题能力亟待提高。这其中的原因可能是实际教学过程中缺乏对学生现实能力的正确估计。我校是一所新升本大学(2012年升本),学校的社会声誉远不如老牌的本科院校,入校学生学习基础相对薄弱。然而,目前的传热学教材主要是面向“985”和“211”高校本科的教学需要,与这些高校的学生学习能力相适应,这可能是造成学生在数学推演和工程应用方面深感困扰的主要原因。在实验分析方面,有42.86%学生表示基本没有困扰,这说明大多数学生对实验教学能够予以接收。上述分析说明多数学生在传热学学习过程中存在困扰,且多集中于与数学知识相关的学习内容(如传热机理分析、数学推演及习题解答),未来在授课方面应先考虑提高此部分的教学质量。
2.受访者的学习成果。学生学习成果是依据学生对所学内容的理解程度来评判。根据教学大纲安排,传热学授课课程内容共分为9个大类知识点和一个实验能力考查点。在所考察的学习内容中,选择“一般理解”和“基本理解”这两项的总计学生人数比例最高的是“传热实验方法”,达到69.84%;而最低的则为“导热数值方法”,人数比例仅为46.03%。可以看出大多受访学生通过传热学课程学习后能有效获得学习成就感,而认为学完该课程后完全没有学习成果(即毫无所知)的人数比例最高者为“导热数值方法”教学内容,比例高达17.46%,这可能是由于该章节为选学内容的缘故。根据我校应用型本科人才培养目标,传热学课程教学计划安排本章的学时数仅为2学时,且不作考核要求,故部分学生在平时上课时或期末复习时选择忽略这部分的内容。
3.受访者对传热学的工程认知及满意度。工程认知指从换热产品的设计到产品的工程运行,各项工程细部的认知。我校能源与动力工程专业学生毕业后,大多选择与热科学相关的工程领域发展,如换热器生产企业、制冷与空调设备企业和相关的能源利用部门,他们所面临的工作皆与工程息息相关,而实际工程中必然会遇到换热设备的选用。因此,如何在不同的环境情况下选用适当的换热设备,提高系统运行的安全性,同时降低系统运行能耗,这将是所有工程师所要面对的问题。因此,通过传热学课程学习,学生所获得的工程认识理应视为课程教育的重要教学成果。对课程满意度高低则可反映出学生学习的意愿。受访者对工程的认识程度和满意度的调查结果表明大多数受访者认为学习传热学课程可增加工程认知度,对工程的认识程度达到“一般”层次的人数比例为82.54%,仅有3.17%的人认为“完全不了解”。整体而言,各年级组学生均对工程认知有某一程度上的信心,即进入大三、大四之后,学生对自己学科的信心有较强的正面效应。在满意度这方面,调查结果显示近90.0%的学生表示非常满意、基本满意和可以接受。应指出,尽管大多数学生在学习困扰调查环节中表示存在学习困扰,但学生对课程教学的满意度仍很高,这表明学生对教师在授课方面的努力给予了相当高的肯定。
三、总结与认识
采用问卷调查方式对2012、2013级能源与动力工程专业学生进行传热学学习效果分析,以考察CDIO工程教学的实施效果、存在的问题以及未来教学改进的方向。结果表明:多数学生欢迎新的教学方式,但均普遍存在学习困扰,这一现状应引起授课教师的高度重视,亦是未来教学中亟待改进的环节;大多数学生认为基于工程教育模式的传热学课程学习可增进工程认知度;实施工程教学后,学生对教师授课的满意度有所提高,90%以上的学生对教学过程表示可以接受,说明CDIO工程教学模式可增进学生的学习意愿。
参考文献
[1]李业发,杨廷柱.能源工程导论[M].第2版.中国科学技术大学出版社,2013.
[2]陈学俊.能源工程的发展与展望[J].西安交通大学学报:社会科学版,2003,23(2):1-7.
[3]张光学,王进卿,池作和.时代背景下热能与动力工程专业教学改革与创新[J].中国电力教育:下,2014,(2):37-38.
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[5]杨世铭,陶文铨.传热学[M].北京:高等教育出版社,2006.
关于传热学的 篇8
关键词：传热学,创新,实验教学
传热学作为研究热量及质量传递规律的工程技术科学，是热能与动力工程专业主要的专业基础课程，是该学科工程技术人员的整体知识结构、能力培养、素质教育的重要组成部分，同时，也是学科基础课与专业课之间的桥梁。通过这门课的学习可以达到两个目的：使学生获得比较宽广和巩固的热量和质量传递规律的基本知识，具备分析工程传热与传质问题的基本能力，掌握计算工程传热与传质问题的基本方法；为学生以后从事热能的合理利用和转换、热工设备效能优化以及换热器的设计等方面的工作，打下必要的基础。但是，该课理论性强，经验公式多且抽象难懂，须配合各类实验才能使学生更好的理解、消化和吸收相关知识。
高校作为创新性人才培养的基地，担负着培养高素质创新人才的历史重任，以增强学生实践创新能力为主的科学的实验教学模式成为了主流。正是在这样的大环境下，又恰逢传热学申报国家级精品课程之际，结合传热学的课程特点，为之配套了多层次创新性实验教学模式。从实验教学内容的优化整合、实验课件的开发、网络实验教材的建设到自主研发综合性实验台、“背靠背式”的小组评分机制，涉及实验教学的各个环节。通过教学实践证明，这种科学的实验教学模式不仅提升了教学效果，提高了学生的动手能力和参与实验的热情，还有助于培养学生的科研创新能力及对工程问题的解决能力。
1 传热学综合实验平台的建立
结合教学大纲的要求，根据传热实验室的现状，对传热学的实验内容进行优化、整合，增大综合设计性实验的比例，建立起传导、对流、辐射、复合传热四位一体的综合实验平台。在此综合实验平台上，根据实验内容将其分为基础性实验、综合设计性实验以及研究创新性实验。以培养学生的创新能力、创新精神为核心，根据实验性质的不同对学生分别采取不同的授课方式，既增加了教师的教学自主权，又提高了学生参与实验的积极性，做到“因材施教、因地制宜”。
1.1 基础性实验
基础性实验是做好综合性、设计性实验的前提，它的内容较为简单，但对学生深刻领会相关理论知识却起到了事半功倍的效果，其目的是：使学生在生动活泼的环境中加深学生对热量传递过程基础知识、基本原理的理解，掌握基本的热物理量的测量方法和技能以及实验数据的处理手段。
(1)稳态平面热源法测定材料导热系数实验。导热系数是物体的重要属性，是反应物体导热性能的重要指标，因此测定材料导热系数实验对学生认识导热现象的本质和理解物体的特征属性——导热系数有重要的意义。导热系数不仅取决于物质的种类，还与温度有关。本实验以一维稳态导热过程的基本原理为理论依据，可以进行材料导热系数的计算，而且还可以通过改变工况来总结出导热系数与温度的关系。
(2)中温法向辐射时物体黑度的测定实验。本实验采用比较法定性地测定中温辐射时物体的黑度，通过对3组加热器电压的调整，使热源和传导圆筒的测量点恒定在同一温度上，然后分别测出恒温条件下“待测物体”在具有原来表面和熏黑表面2种状态时受到辐射后的温度，从而计算出待测物体的黑度。
1.2 综合设计性实验
综合设计性实验是在理解、掌握基础概念和基本定律的基础上，锻炼学生将各门知识综合运用起来独立地分析问题和解决问题的能力，这样不仅可以检验学生对理论知识的理解程度，还能拓展学生的知识范围，培养学生理论联系实际和科研创新的能力。如综合传热实验，该实验台可以通过干饱和蒸汽在经过翅片管、铜光管、铝管、铜方管、涂黑的铜管、加保温材料的保温管时产生的冷凝水量直接定性地观察出他们的传热性能趋势，还可以通过测量单位时间冷凝水量定量计算出每根管子的传热系数。另外，该实验台还配有1组可移动的风机，可以进行自然对流和强制对流2种状态下的实验。通过对实验方案的设计、对实验现象的观察、对不合理实验现象的分析，学生充分掌握了实验的主动性，不仅锻炼了动手能力，还培养了学生严谨的科研态度。
1.3 研究创新性实验
研究创新性实验为选做实验，主要针对学有余力、热爱科研、勇于实践的学生。如空气横掠圆柱的强迫对流换热实验，为学生自发组织进行的实验项目，是对废弃实验台的二次研发。从实验方案的拟订到实验方案的实行，从实验材料的选取、实验材料的采购到实验材料的组装以至于最终实验台的调试、重整，包括测试数据的整理、测试报告的撰写，全部由学生自主完成。在整个实验系统的关键环节上，学生创新性的通过旋转可调旋钮来控制圆柱的实验段管壁热电偶测量点与来流空气的夹角，从而解决了圆柱体圆周表面任何一点温度的测量问题。由于其综合性强、性能稳定且运行良好，被编入了《传热学实验讲义》，成为热能工程专业本科生的实验内容。在反复修改实验方案，反复调试实验台的过程中，学生从失败中得到的经验教训是书本上没有的，分析问题、解决问题的能力大大提高了，科研能力和创新素质也得到了提升。
2 自主研发综合设计性实验台
鉴于目前常用的测量导热系数的实验装置都较为简单，试样的形状、尺寸相对固定，学生在实验过程中只是被动的操作，创新性设计和自由发挥的空间很小的现状，自主研发了“非稳态热带法测量材料热导率实验系统”。该实验系统不仅成本低、精度高、测量范围广，而且全程电脑采集数据、自动化程度高，采用USB接口数据采集器，开发了相应的包括电压信号测量、热电偶测温、多通道数据采集、数据处理和热参数实时计算多个功能的计算机程序，通过处理软件可以同时得到被测材料的导热系数和热扩散系数这两个物性参数，为科研和教学提供了一个非常好的创新实验平台，有很高的推广价值。通过此实验台，可以使学生更加深入地理解非稳态热传导过程的特点，还可以学习和掌握国际上先进的热物性测量方法，不仅培养了学生的实际动手能力和开发、应用计算机软件的能力，还提高了学生对知识的综合应用能力和对创新性科研工作的热情。
3 营造多元化学习环境，进行实验教学课件的开发
随着计算机虚拟技术的普及，人们越来越多的认识到了它在教学过程中的重要作用，为实验教学的改革提供了崭新的空间和思路。我们将虚拟技术应用于实验教学的各个环节，从实验前的集中备课环节、实验系统的虚拟、微观实验现象的模拟，以至于实验课后的复习，无不渗透着计算机虚拟技术在传热学实验教学中的优势，它使难于理解的物理概念和物理机理变得浅显易懂，加深了学生的感性认识，不仅丰富了实验教学的内容和形式，还激发了学生的学习兴趣和创新性思维。
4 绑定实验小组与“背靠背”式的测评机制有机结合
固定实验小组与“背靠背”式的测评机制有机结合，强化了学生的团队意识，更促进了学生互相监督、互相进步。实验课前，我们将所有学生按每组3人分成若干组，这3个人在整个传热学实验过程中形成了固定的合作学习小组。另外，学期末我们会发给每个同学1份“组内测评表”，要求学生以“背靠背”的形式为自己打分、为组内其他成员打分，每个组最后的平均成绩记入每个成员这门课最终的成绩。这样的“捆绑式”的学绩评价方式突出了小组的作用，小组内各成员成为捆绑的对象，每个组员的表现都将影响整个小组的考评，个人行为与小组行为息息相关，逐步形成“组内互助，组间争优”的学习氛围，使实验室成为学生不断进取的场所。
5 结束语
实验教学作为提高学生动手能力和创造能力的第二课堂，是理解、消化所学知识并将其应用于工程实践的重要途径，是锤炼学生科研素养和创新意识的有力手段，是培养具有工程能力和创新素质的研究型人才的有效途径。而科学的实验教学模式是达到上述目标的前提条件，本文提到的多层次、创新性实验教学模式与“传热学”的课程特点紧密结合，涵盖的内容丰富、广泛，层次分明，且各层次间紧密结合、相辅相成，并且在实验教学中取得了良好的教学效果。今后随着实验室建设的进一步加强、教学改革思路的不断扩展,我们将把这个实验教学模式整合得更加完善为热能工程的学生奠定坚实的专业理论基础，为培养21世纪“宽口径”复合型高素质人才提供保障。
参考文献
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