以方法论培养为目标的传热学教学中的两个重要概念
时间：2021-02-05 02:00:02 来源：达达文档网 本文已影响 人 
苏亚欣 邓文义 田凤国
[摘 要] 传热学是一门理论性很强的专业基础课。为加强教学效果和培养学生的方法论，在教学过程中，特别重视能量守恒和热阻两个重要的基本概念。能量守恒是传热学的理论基础，对于建立微分方程以及计算传热问题都是十分关键的。而热阻以及温差除热阻就是传热量的概念对于简化传热的计算则很有帮助。在教学过程中，要准确地讲授这两个重要的基础概念。
[关键词] 传热学;教学方法;方法论;能量守恒;熱阻
[课题项目] 东华大学本科核心课程建设项目“建筑环境与能源应用工程专业《传热学》核心课程建设”
[作者简介] 苏亚欣（1972—），男，博士，教授，博士生导师，主要从事传热学和工程热力学研究;邓文义（1982—），男，浙江人，博士，东华大学环境学院副教授，主要从事能源与环境系统工程研究;田凤国（1977—），男，山东人，博士，东华大学环境学院讲师，主要从事能源与环境系统工程研究。
[中图分类号] G642 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2020）35-0313-02 [收稿日期] 2019-10-11
传热学是热能动力工程、建筑环境与能源应用工程等本科专业的核心专业基础课，同时也是其他诸多有关工科专业的重要的基础课。传热学不仅作为一门独立的学科，为电力、化工等很多工业应用中的换热过程、换热器设计等提供理论基础，同时也是多门其他专业课程的提供最重要的支撑理论。因此，传热学的本科教学在有关的专业人才培养中非常重要，对传热学教学方法的研究和讨论也是相关专业教师非常关注的一个课题。近年来不同的老师针对各自学校和专业的特点、定位等对传热学教学方法进行了多方位的探讨[1-5]。
传热学的特点是理论性较强。相对于其他课程来说，传热学对高等数学的要求较高，涉及到常微分方程、偏微分方程、偏微分方程组等，因而不少学生在打开教材的第一眼会产生一定的畏惧心理，部分学生在学习过程中会感到比较难学。王瑜等[4]在其校内的问卷调查发现，“35.8%的学生认为传热学学习的难点在于公式复杂，公式复杂的问题主要集中在非稳态导热和对流换热微分方程组部分”。因此，在教学中，培养方法论就变得很重要。掌握了好的方法论，学生学习起来就变得容易，同时在心理上克服“传热学难学”的印象。张月[5]总结了传热学不同的传热方式中的一些研究方法，对于学生的学习具有一定的帮助。作者结合自己从事传热学教学和研究的实践，以两个重要的概念——能量守恒和热阻，作为一条主线，探讨在课堂教学中对学生的方法论培养的可能性。
一、能量守恒的概念
能量守恒是贯穿传热学始终的一条主线。无论是建立传热的微分方程还是具体的传热问题的计算，都离不开能量守恒。掌握能量守恒并熟练地、灵活地运用它，无论是传热问题的一般计算求解，还是研究一个教材中没有的传热问题并建立其微分方程，都不会出差错。同样，学生深刻地理解了建立传热微分方程过程的能量守恒的原理，就不会再对复杂的微分方程本身感到畏惧和排斥。教师在课堂教学过程中要特别注重讲清楚复杂的方程背后的方法，而尽量避免去强调复杂的微分方程本身，要引导学生把注意力放在方程怎么来的——建方程的方法，然后再讲解基本的常微分方程的求解。我们在教学中一直强调，根据能量守恒建立传热微分方程是我们这个专业的人员所必须掌握的基本技能，至于微分方程不会求解，问题不算大——可以去查阅数学的书或请教数学专业的人。自己的本行的问题必须要能自己去解决，然后才能向其他人需求帮助。因此，能量守恒是很重要的一个概念。
能量守恒在传热学的学习中，主要有两个方面的体现。一是建立微分方程，二是求解传热问题。
建立导热微分方程的时候首先取微元体作为研究对象，通过其边界分析微元体的能量平衡：进入和离开微元体的能量的差必然为零（稳态）或引起微元体内能的变化（非稳态）。在物体内部取的微元体，则通过边界的能量是以傅里叶定律计算的导热。对于对流问题，还存在由流体质点携带的内能穿过微元体边界进入微元体内部的能量（即对流换热微分方程中的对流项）。在物体边界上取的微元体，则通过边界的能量则要分成内部边界上的导热和外边界的边界条件。在教学中，需要强调选微元体、分析其能量平衡这个过程，而不是忽略了这个过程，去强调方法和能量守恒的基本概念讲解清楚了，那么，自然而然地就推导出了正确的微分方程。这个过程就是方法论。重点要放在这个方法的教学上，而不能忽略它而去强调最后的微分方程的形式。
在计算传热问题时，同样需要首先弄清楚能量的传递方向，在能量守恒的前提下去进行分类计算。比如，教材[6]绪论的例题1-8，在一个产品制造过程中的辐射加热的计算，总辐射热通过表面的透明薄膜在结合面被吸收，这是总的能量。这个被吸收的总能量分别向上、下两个方向以导热和导热加对流进行传递。因此，分别计算上、下两个方向的传热量，然后相加就是总热量。理解了这个能量守恒计算就很简单。无论是导热、对流、辐射，弄清楚了传热时的能量守恒、并灵活地使用能量守恒，在计算时都不会出错。
二、热阻的概念
热阻对于传热问题的计算非常重要。在导热、对流、辐射换热以及传热过程的计算中都依赖于热阻以及热阻叠加。在教学过程中，如果仅仅是计算传热量，我们可以灵活地使用“传热量等于温差除热阻”这一简单、却有效的方法。用什么温差，就用这个温差之间的所有热阻。用这个方法，既能计算传热量，也能计算多层结构（包括平壁、圆筒壁以及球壳）不同位置的温度，而完全不需要去解微分方程。在使用这个方法的时候，需要熟练地掌握两点。一是导热、对流以及辐射热阻的定义。这是需要牢记的少数基础公式之一。不同坐标体系下的导热热阻的表达式，特别是直角坐标和柱坐标下的热阻表达式是计算时最常使用的基础公式，需要牢牢记住。对流换热的总热阻定义为1/（hA），h为对流换热系数/表面传热系数，A为发生对流换热的表面的面积。熟练地使用“温差除热阻就是传热量”这一概念，能够很方便地计算对流换热问题，比如带保温层的蒸汽管道的传热以及管道表面、各层间的温度。此外，要理解并熟练掌握热阻的串、并联的关系和计算方法。在计算的过程中，要能够准确地绘出其传热过程的热阻网络图，从而清晰地看出热阻的串并联关系，从而准确计算总的热阻。
对于辐射换热过程的计算，同样可以应用热阻的概念，只不过不再是用温差去除热阻，而是用辐射力的差去除这两个辐射力之间的所有热阻的总和。辐射的热阻包括表面热阻和空间热阻。对于黑表面，其表面热阻为零。在进行计算时，首先要能够准确地画出表面之间的辐射热阻网络图，然后再根据热阻网络图的串、并联关系，求出两个表面间的总热阻，有两个表面的黑体辐射力（不管表面是否是黑体）去除以这个总热阻，就准确地求出了该两个表面间的辐射换热量。如果不善于使用热阻以及热阻网络图，单纯靠公式，求解过程既麻烦又容易出错。
结语
能量守恒是传热学的理论基础，无论是建立不同的传热过程的微分方程还是进行传热工程问题的计算，多需要熟练掌握能量守恒的概念。在进行复杂的计算时，灵活地使用热阻、热阻叠加以及“温差除热阻就是传热量”，则计算过程不仅简单而且计算结果还准确。在传热学的课堂教学中，要准确地讲授这两个重要的基础概念。
参考文献
[1]赵薇，崔鹏.传热学课程建设与教学方法改革[J].中国电力教育，2014（33）：71-72，78.
[2]刘彦丰，高正阳，李斌，等.传热学课程研究性教学的探索与实践[J].中国电力教育，2014（36）：120-121.
[3]杨昆，王嘉冰.“以学生为中心”的传热学教学研究[J].化工高等教育，2016，33（6）：74-77.
[4]王瑜，李维，谈美兰，等.新工科背景下建筑环境与能源应用工程专业传热学课程教学研究[J].高等建筑教育，2018，27（5）：14-19.
[5]张月，张超.浅谈传热学教学中以研究方法为线索的重要性[J].中国电力教育，2019（1）：73-74.
[6]苏亚欣主编.传热学[M].武汉：华中科技大学出版社，2009.
