“熱質(zhì)交換原理與設(shè)備”課程教學(xué)大綱的編制探討

余德洋 楊明濤

摘?要：“熱質(zhì)交換原理與設(shè)備”是建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)必開的專業(yè)基礎(chǔ)課程。如何制訂“熱質(zhì)交換原理與設(shè)備”課程教學(xué)大綱，促進專業(yè)建設(shè)是專業(yè)教師需要思考的問題。本文以應(yīng)用型本科院校為例，從課程性質(zhì)、課程目標、課程內(nèi)容、課程安排、課程考核和課程實施建議六個角度探討應(yīng)用型本科院校如何制定熱質(zhì)交換原理與設(shè)備課程教學(xué)大綱。

關(guān)鍵詞：傳質(zhì);傳熱;教學(xué)大綱;熱質(zhì)交換設(shè)備

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

1 課程性質(zhì)

熱質(zhì)交換原理與設(shè)備是建筑環(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)的一門專業(yè)基礎(chǔ)課，在整個課程體系里起著溝通理論課與專業(yè)課的橋梁作用[3-6]。對本門課進行學(xué)習(xí)，既可為后續(xù)的專業(yè)課儲備理論基礎(chǔ)，也可促進學(xué)生理論聯(lián)系實際?！盁豳|(zhì)交換原理與設(shè)備”課程教學(xué)大綱的制訂應(yīng)該結(jié)合不同院校的實際情況。

2 課程目標

不同層次的學(xué)校，熱質(zhì)交換原理與設(shè)備課程目標的側(cè)重點也應(yīng)有所差異。對于應(yīng)用型本科院校的熱質(zhì)交換原理與設(shè)備課程目標，首先，要掌握傳熱傳質(zhì)的基礎(chǔ)理論，其次，掌握傳熱傳質(zhì)設(shè)備的常用熱工計算方法，并具有初步優(yōu)化本專業(yè)領(lǐng)域常用設(shè)備的能力。上述熱質(zhì)交換原理與設(shè)備課程目標符合應(yīng)用型本科院校的學(xué)生培養(yǎng)要求。

3 課程內(nèi)容

“熱質(zhì)交換原理與設(shè)備”課程內(nèi)容主要分為九個部分[7]，分別是：（1）緒論;（2）傳質(zhì)的理論基礎(chǔ);（3）傳熱傳質(zhì)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(zhì)交換設(shè)備的熱工計算;（7）混合式熱質(zhì)交換設(shè)備的熱工計算;（8）復(fù)合式熱質(zhì)交換設(shè)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(huán)境與能源應(yīng)用工程專業(yè)涉及的熱質(zhì)交換現(xiàn)象及設(shè)備分類，該部分主要內(nèi)容為三種傳遞現(xiàn)象的聯(lián)系、建能專業(yè)中的典型熱質(zhì)交換現(xiàn)象和熱質(zhì)交換設(shè)備的分類;第二部分為本門課程在專業(yè)中的地位與作用;第三部分為本門課程的主要研究內(nèi)容與方法。

3.2 傳質(zhì)的理論基礎(chǔ)

傳質(zhì)的理論基礎(chǔ)分為傳質(zhì)概論、擴散傳質(zhì)、對流傳質(zhì)以及相際間的對流傳質(zhì)模型四部分。其中傳質(zhì)概論主要內(nèi)容為混合物構(gòu)成成分的表達、傳質(zhì)速率的度量、質(zhì)量傳遞的基本方式;擴散傳質(zhì)主要內(nèi)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(shù)及其測量;對流傳質(zhì)主要內(nèi)容為對流傳質(zhì)系數(shù)、濃度邊界層概念及其對傳質(zhì)問題求解的意義、紊流傳質(zhì)的機理、對流傳質(zhì)的數(shù)學(xué)描述、對流傳質(zhì)過程的相關(guān)準則數(shù)、對流傳質(zhì)問題的分析求解;相際間的對流傳質(zhì)模型主要內(nèi)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(zhì)問題的分析和計算

傳熱傳質(zhì)問題的分析和計算分為動量、熱量和質(zhì)量傳遞的類比、對流傳質(zhì)的準則關(guān)聯(lián)式和熱量和質(zhì)量同時進行時的熱質(zhì)傳遞三部分。動量、熱量和質(zhì)量傳遞的類比部分主要內(nèi)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(zhì)交換中的應(yīng)用;對流傳質(zhì)的準則關(guān)聯(lián)式主要內(nèi)容為流體在管內(nèi)受迫流動時的質(zhì)交換和流體沿平板流動時的質(zhì)交換;熱量和質(zhì)量同時進行時的熱質(zhì)傳遞主要內(nèi)容為同時進行傳熱與傳質(zhì)的過程、同一表面上傳質(zhì)過程對傳熱過程的影響、劉伊斯關(guān)系式和濕球溫度的理論基礎(chǔ)。

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(nèi)容包括空氣調(diào)節(jié)的幾個相關(guān)概念、空氣熱濕處理的原理和方案、空氣熱濕處理及設(shè)備;空氣與固體表面之間的熱濕交換部分主要內(nèi)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(nèi)容為熱濕交換原理、蒸發(fā)冷卻裝置的工作原理、與水直接接觸時空氣的狀態(tài)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(zhì)交換的主要因素和空氣與水表面的熱質(zhì)交換系數(shù)。

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(nèi)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(zhì)傳質(zhì)淺析、空氣靜態(tài)吸附除濕和動態(tài)吸附除濕;吸收劑處理空氣的原理和方法主要內(nèi)容包括吸收現(xiàn)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(zhì)交換設(shè)備的熱工計算

間壁式熱質(zhì)交換設(shè)備的熱工計算分為間壁式熱質(zhì)交換設(shè)備的形式與結(jié)構(gòu)、間壁兩側(cè)流體傳熱過程分析、總傳熱系數(shù)與總傳熱熱阻、間壁式熱質(zhì)交換設(shè)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(zhì)交換設(shè)備的熱工計算六部分。其中，間壁式熱質(zhì)交換設(shè)備熱工常用計算方法主要內(nèi)容包括熱工計算的基本公式、對數(shù)平均溫差、效能-傳熱單元數(shù)法、對數(shù)平均溫差與效能-傳熱單元數(shù)法的比較;表面式冷卻器的熱工計算主要內(nèi)容包括表冷器處理空氣時發(fā)生熱質(zhì)交換的特點、表冷器的傳熱系數(shù)和表冷器的熱工計算;其他間壁式熱質(zhì)交換設(shè)備的熱工計算主要內(nèi)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(zhì)交換設(shè)備的熱工計算

混合式熱質(zhì)交換設(shè)備的熱工計算分為混合式換熱器的形式與結(jié)構(gòu)、影響混合式設(shè)備熱質(zhì)交換效果的主要因素、混合式設(shè)備發(fā)生熱質(zhì)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(zhì)交換設(shè)備的熱工計算六部分。其中混合式換熱器的形式與結(jié)構(gòu)的主要內(nèi)容包括混合式熱交換器的種類、噴淋室的類型和構(gòu)造和冷卻塔的類型與結(jié)構(gòu);混合式設(shè)備發(fā)生熱質(zhì)交換的特點的主要內(nèi)容包括噴淋室熱質(zhì)交換的特點和冷卻塔熱質(zhì)交換的特點;噴淋室的熱工計算的主要內(nèi)容包括噴淋室的熱交換效率系數(shù)和接觸系數(shù)、噴淋室的熱交換效率和接觸系數(shù)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(shè)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(nèi)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(zhì)交換設(shè)備的熱工計算的主要內(nèi)容包括加濕器的熱工計算和噴射泵的熱工計算。

3.8 復(fù)合式熱質(zhì)交換設(shè)備的熱工計算

復(fù)合式熱質(zhì)交換設(shè)備的熱工計算分為影響復(fù)合式設(shè)備熱質(zhì)交換效果的主要因素、蒸發(fā)冷卻式空調(diào)系統(tǒng)的熱工計算以及溫濕度獨立調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)三部分。其中蒸發(fā)冷卻式空調(diào)系統(tǒng)的熱工計算部分主要內(nèi)容包括直接蒸發(fā)冷卻器的類型與性能、直接蒸發(fā)冷卻器的熱工計算、間接蒸發(fā)冷卻器的類型與性能、間接蒸發(fā)冷卻器的熱工計算、一級蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計計算方法、二級蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計計算方法和三級蒸發(fā)冷卻空調(diào)系統(tǒng)設(shè)計計算方法;溫濕度獨立調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)部分主要內(nèi)容包括溫濕度獨立調(diào)節(jié)空調(diào)系統(tǒng)的簡介、溫度調(diào)節(jié)系統(tǒng)、濕度獨立處理設(shè)備和溫濕度獨立設(shè)備的應(yīng)用。

3.9 課程思政

學(xué)習(xí)本課程時，可將節(jié)能減排的思政元素和表冷器（間壁式熱質(zhì)交換設(shè)備）的學(xué)習(xí)內(nèi)容相融合。例如在第六章學(xué)習(xí)時，說明表冷器是空調(diào)系統(tǒng)中的一種熱質(zhì)交換設(shè)備，表冷器內(nèi)不僅存在著因溫差導(dǎo)致的顯熱的傳遞，同時也存在著由于水蒸氣的傳質(zhì)所帶來的潛熱傳遞，兩者共同影響著表冷器內(nèi)冷熱兩種流體之間的換熱速率。因而運用熱質(zhì)交換理論可優(yōu)化表冷器內(nèi)的熱質(zhì)傳遞過程，以達到節(jié)約表冷器的運行能耗。通過上述內(nèi)容的講解，可使學(xué)生了解本門課程對于節(jié)能減排的意義，增強專業(yè)責(zé)任感。

4 課時安排

“熱質(zhì)交換原理與設(shè)備”課程具體的學(xué)時建議安排可參考下表。

5 課程考核

以往評定學(xué)生是否能夠取得該門課程的學(xué)分，通常在課程結(jié)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(xué)將視為成績合格，取得該門課程的學(xué)分。該考核方法中考試成績所占權(quán)重過高，許多同學(xué)正是看到這一考核特點，所以在平時學(xué)習(xí)時并不努力，只是在考前搞突擊。這種應(yīng)試教育導(dǎo)致學(xué)生對該門課程知識掌握不夠深入，專業(yè)基礎(chǔ)不夠扎實，直接影響后續(xù)專業(yè)課的學(xué)習(xí)。為了克服這一缺點，建議降低課程結(jié)束后的考試成績在總評成績中的權(quán)重，而在學(xué)習(xí)中增加平時課堂小測驗的次數(shù)，所有小測驗的成績均列入總評成績中。這樣學(xué)生就會重視平時的學(xué)習(xí)，從而對課程知識點掌握比較扎實。

6 教學(xué)實施建議

（1）“熱質(zhì)交換原理與設(shè)備”授課內(nèi)容應(yīng)與日?，F(xiàn)象相結(jié)合。例如，在講授擴散傳質(zhì)時，可引導(dǎo)學(xué)生想象在學(xué)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(zhì)所起的作用，增強學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的感性認識。

（2）傳熱傳質(zhì)公式的推導(dǎo)過程略講，重點在于培養(yǎng)應(yīng)用傳熱傳質(zhì)公式解決問題的能力。

（3）課堂上增加師生探討內(nèi)容，以充分發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和主動性。

（4）在教學(xué)中增加與“熱質(zhì)交換原理與設(shè)備”課程相關(guān)的傳熱傳質(zhì)實驗教學(xué)內(nèi)容，以便讓學(xué)生結(jié)合實驗現(xiàn)象更好地理解課堂中學(xué)習(xí)到的理論知識。這樣使得本門課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容不會過于抽象和枯燥，從而激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)熱質(zhì)交換原理與設(shè)備課程的興趣。

結(jié)語

“熱質(zhì)交換原理與設(shè)備”課程具有深化學(xué)生的專業(yè)素養(yǎng)的作用，該課程對學(xué)習(xí)專業(yè)課以及今后的工作均有重要的作用。例如運用熱質(zhì)交換知識可優(yōu)化熱質(zhì)交換設(shè)備的設(shè)計，強化熱質(zhì)交換設(shè)備的傳熱傳質(zhì)速率，以達到提高運行效率，降低運行費用的目標。熱質(zhì)交換原理與設(shè)備教學(xué)大綱正是依據(jù)上述教學(xué)目標進行編制的。

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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(zhì)交換課程建設(shè)。