“换热器原理与设计”课程教学方法研究与实践

“换热器原理与设计”课程教学方法研究与实践

郑仙荣阴继翔尹建国

（太原理工大学电气与动力工程学院）

摘要：针对“换热器原理与设计”的教学内容多而学时少的特点，并结合其教学任务和节能减排的背景，对该课程的教学方法进行了研究，总结出“触类旁通，区别对待”和“动态仿真，实景模拟”的教学方法，以及“应用导向，创新护航”的教学理念。实践发现该教学方法和教学理念开阔了学生的专业视野，激发了学生的学习兴趣，有助于开发学生的创新性思维。

关键词：换热器；能源与动力工程；教学方法；教学理念

Thestudyandpracticeofteachingmethodson

“heatexchangerprincipleanddesign”

XianrongZheng，JixiangYin，JianguoYin

（CollegeofElectrical&PowerEngineering，TaiyuanUniversityofTechnology）

Abstract：Inthispaper，theteachingmethodswerestudiedon“heatexchangerprincipleanddesign”，basedonitscharacteristicofmorecoursescontentinshortcredit-hour，itsteachingassignmentandthebackgroudofenergysaving.Twoteachingmethodsweresummarizedof“comprehendsionbyanalogy”and“dynamicemulationandrealscenerysimulation”.Andtheteachingconceptof“application-orientedandinnovation-escorted”wasalsoprovided.Ithasbeenprovedthattheteachingmethodandtheteachingconceptarehelpfultobroadenthestudents'professionalview，arousetheirinterestanddeveloptheircreativethinking.

Keywords：heatexchanger，energyandpowerengineering，teachingmethod，teachingconcept

“换热器原理与设计”作为能源与动力工程专业的一门重要专业课，以换热器为研究对象，着重培养学生综合应用“传热学”、“流体力学”、“材料力学”等基础知识的能力和工程实践的素养，为学生以后从事热能合理利用及热工设备效能的提高等方面的工作打下必要的基础。但目前大学教育本着“拓宽专业口径，培养复合型人才”的改革思想，将“换热器原理与设计”的课时数压缩为32学时。因此，如何在有限的学时内提高学生的学习效果便成为该课程教学法研究中的一项重要任务。

文章结合作者自己十多年教学实践，针对“换热器原理与设计”的课程性质，内容多而学时少的特点，总结出以下三点教学经验，“触类旁通，区别对待”的教学方法，“动态仿真，实景模拟”的教学方法，以及“应用导向，创新护航”的教学理念。

实践发现上述教学方法和教学理念开阔了学生的专业视野，激发了学生的学习兴趣，有助于学生的创新性思维的开发。

一、触类旁通，区别对待的教学方法

“换热器原理与设计”课程授课内容多与课时少是一个十分突出的问题，针对这个矛盾，作者提出“触类旁通”又“区别对待”的教学方法并付诸实践，效果非常好。

换热器种类繁多，不仅包括单相流体换热器还包括相变换热器，既有结构庞大的换热器还有结构紧凑式换热器，每一种换热器均涉及到设计计算和校核计算，且在计算过程中会涉及诸如“传热学”、“流体力学”及“材料力学”等课程中的众多内容，因此有关换热器的计算是非常复杂且庞大。但在复杂和庞大中存在着主要脉络，即所有换热器的设计思路和步骤大致相同，所用的一些主要传热关系式（如传热过程方程式Φ=kA△tm，传热系数计算式等[1]）、流阻关系式（如沿程摩擦阻力和局部阻力等[2]）是完全相同的。这样在授课时就能够以一种常用换热器的设计计算作为教学重点，详细讲解设计思路和步骤，其它类型换热器设计可以采用半讲授半自学的形式。如对于高效紧凑式换热器，以板翅式换热器为例，详细介绍其结构特点、换热面的总体布置及冷热流体的流动型式，针对换热流体在换热面中的流动特性，细致讲解其结构设计、传热设计、流阻设计和强度校核方面的内容[2]。板翅式换热器作为紧凑式换热器的典型，可以将其的设计计算步骤和设计思路“触类旁通”到其它的紧凑式换热器如翅片管式换热器和板式换热器中，让学生自学。自学之后，教师应该针对学生的自学情况指出上述三种换热器均属于高效紧凑式换热器，其特点是单位体积内能布置更多的换热面积，在实际使用中占地面积比较小；而紧凑的结构设计又可以使流体获得较好的湍动效果，从而获得较高的传热系数。但又因这三种换热器结构的个性差异导致其适用于不同的换热场合，如板翅式换热器因冷热换热面均布置有翅片，因而适用于冷热流体换热均比较差的气体之间的换热，两侧均加装有翅片使得流体流过时扰动增强，势必会相应增加流动阻力，因此流体在换热器内的流动速度就要选的合适才不至于耗能太高；而翅片管式换热器因只在管外加装翅片，所以适宜让换热比较强的液态流体从管内流过，而将换热比较差的气态流体布置在管外侧，让其进行冲刷翅片管换热[3]；但对于板式换热器而言，由于其换热板片大多是使用垫圈密封形成流道，常用密封垫圈的使用温度不超过260℃[2]，因而该换热器适用于换热流体温度不太高的场合，一般用在水冷或油冷等系统。通过对上述三种紧凑式换热器结构特点的比较，指出显著不同的地方及设计过程中各自的关键点，让学生们既要熟知它们共有的特征，又要注意到个体的差异，做到“触类旁通，区别对待”。这样的教学方法能在有限的教学时间内，使学生掌握更多的教学内容，并提高学生的主动性思维能力。

二、动态仿真，实景模拟的教学方法

换热流体在换热器中的三维流动及其换热情况一直是“换热器原理与设计”课程的重点和难点，比较抽象，难于理解。

为了逼真地表达换热中冷热流体的真实流动和换热情况，加强教学效果，特采用Flash软件对教材中的几种换热器的换热流体的三维流动进行了动态模拟，并通过冷热流体颜色的渐变过程体现换热程度。冷热流体流动和换热的可视化展示增强了学生对换热器工作原理的感性认识。

换热流体流过不同的换热壁面，其换热差别很大，一般主要有流体在管槽内的换热和流体冲刷管的换热，在不同的换热情形下，流体的对流换热系数h的计算关系式会有差别，这将导致截然不同的换热系数k。换热情况的复杂性和涉及知识面的宽泛性使得学生理解和掌握均比较困难。因此，换热器壁面的结构形式对换热流体的流动和换热情况的影响也一直是该课程的重点和难点。针对这一问题，作者借助先进的Fluent软件对教材中的几种换热器中换热流体的温度场分布，速度场分布及压力场分布进行模拟，在课堂上对模拟结果以彩图展示，同时进行比较分析。比如对于板式换热器而言，板的波纹形状对换热器的性能影响很大，为了说明影响程度，特选择三种不同的波纹板，采用Fluent软件对其进行换热的温度场分度，速度场分布及压力场分布进行模拟计算，通过比较计算结果分析出造成影响的实质。同时也建议学生们在学习这部分内容时及时查阅一些相关的科技论文，加深印象。授课时多角度生动形象地说明波纹板波纹形状对换热的影响，增强了学生对换热器的结构形式对换热和流动影响的感性认识，有助于加深和巩固对传热学和流体力学中基础理论知识的理解、掌握和应用。

与此同时也给学生拟定题目，让他们通过查阅资料，总结已有换热器的实验数据，给出换热器结构型式对换热器换热性能影响的对比曲线，并对其进行定性分析。这样可以锻炼学生根据换热负荷选择换热器类型的能力。

三、应用导向，创新护航的教学理念

“换热器原理与设计”是一门以设备为研究对象的实践性比较强的课程，是一门与热能的合理有效利用息息相关的课程。在这门课的教学发展过程中，人们一直围绕着“不断增强传热环节的换热性能，提高换热器的换热效率”和“开发高效紧凑式换热器”两大课题进行研究。因此，教师应该结合换热器的工业应用背景和应用实践来讲授换热器的工作特性及设计要点。

换热器的类型繁多，有适合在较高压力下用的管壳式换热器，有适合在航空航天等移动工具上用的结构紧凑又轻巧的板翅式换热器，有适合运行压力低、换热流体温度较低且占地面积小的板式换热器，有适合一侧换热需要特别强化的翅片管式换热器，也有适合相变场合用的蒸发器和冷凝器，还有适合锅炉、窑炉、化肥厂等余热利用的热管换热器等等[4，5]。在节能减排越来越成为我国未来发展的重要战略举措的形势下，且随着传热理论的日益完善，各种新型的换热器越来越多地被应用到一些高温余热回收的场合，日益发挥着重要的作用，为节能减排和提高经济效益做出了很大的贡献。因此，高效节能换热器的设计和应用成为当今换热领域研究的热点。

以上这些充实的专业知识及换热器多样的应用背景开阔了学生的专业视野，激发了他们的学习兴趣。将贴近社会需求的，有实际应用价值的内容引入课堂教学中，能够使学生看到这门课无限拓展的外延，有助于学生树立工程观点和激发创新意识。

四、小结

“换热器原理与设计”作为能源与动力工程专业的一门重要专业课，其目的在于加强能源与动力专业学生的专业知识技能和实践能力。作者在实际教学过程中，通过对上述教学方法和教学理念的实施，让学生深刻理解和领悟到所学知识的价值，同时也培养了他们热爱科学，勇于实践的精神。教学效果非常好。

参考文献：

[1]杨世铭，陶文铨.《传热学》[M].北京：高等教育出版社，2014.

[2]余建祖.《换热器原理与设计》[M].北京：北京航空航天大学出版社，2006.

[3]刘纪福.《翅片管式换热器的原理与设计》[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2013.

[4]方彬.《热管节能减排换热器设计与应用》[M].化学工业出版社，2013年.

[5]钱颂文.《换热器设计手册》[M].北京：化学工业出版社，2002年.

作者简介：

郑仙荣（1976-），女，副教授，主要从事能源与动力工程专业的教学和研究

基金项目：

2013年太原理工大学教育教学改革项目，编号为“2013057”。