“热质交换原理与设备”课程教学大纲的编制探讨

余德洋 杨明涛

摘 要：“热质交换原理与设备”是建筑环境与能源应用工程专业必开的专业基础课程。如何制订“热质交换原理与设备”课程教学大纲，促进专业建设是专业教师需要思考的问题。本文以应用型本科院校为例，从课程性质、课程目标、课程内容、课程安排、课程考核和课程实施建议六个角度探讨应用型本科院校如何制定热质交换原理与设备课程教学大纲。

关键词：传质;传热;教学大纲;热质交换设备

热质交换原理与设备主要介绍工程中涉及的传热和传质理论，以及传热传质设备的热工计算。通过本课程学习，一方面可为学生学习后续专业课打下必要的知识基础，另一方面也使学生具有优化实际工程中的热质交换过程和提高热质交换设备运行效率的能力。因此，做好热质交换原理与设备课程的教学是非常重要的工作。课程教学大纲制订合理可为学生完成学习目标起到保驾护航的作用[1-2]。依据当前应用型普通本科院校建筑环境与能源应用工程专业学生的学习情况和热质交换技术发展的状况，针对如何制订“热质交换原理与设备”教学大纲的问题进行了探讨。为了更好地开展“热质交换原理与设备”课程的教学，本文也提出了几个具体可行的意见。

1 课程性质

热质交换原理与设备是建筑环境与能源应用工程专业的一门专业基础课，在整个课程体系里起着沟通理论课与专业课的桥梁作用[3-6]。对本门课进行学习，既可为后续的专业课储备理论基础，也可促进学生理论联系实际。“热质交换原理与设备”课程教学大纲的制订应该结合不同院校的实际情况。

2 课程目标

不同层次的学校，热质交换原理与设备课程目标的侧重点也应有所差异。对于应用型本科院校的热质交换原理与设备课程目标，首先，要掌握传热传质的基础理论，其次，掌握传热传质设备的常用热工计算方法，并具有初步優化本专业领域常用设备的能力。上述热质交换原理与设备课程目标符合应用型本科院校的学生培养要求。

3 课程内容

“热质交换原理与设备”课程内容主要分为九个部分[7]，分别是：（1）绪论;（2）传质的理论基础;（3）传热传质问题的分析和计算;（4）空气的热湿处理;（5）吸附和吸收处理空气的原理与方法;（6）间壁式热质交换设备的热工计算;（7）混合式热质交换设备的热工计算;（8）复合式热质交换设备的热工计算;（9）课程思政。

3.1 绪论

绪论分为三部分，第一部分为建筑环境与能源应用工程专业涉及的热质交换现象及设备分类，该部分主要内容为三种传递现象的联系、建能专业中的典型热质交换现象和热质交换设备的分类;第二部分为本门课程在专业中的地位与作用;第三部分为本门课程的主要研究内容与方法。

3.2 传质的理论基础

传质的理论基础分为传质概论、扩散传质、对流传质以及相际间的对流传质模型四部分。其中传质概论主要内容为混合物构成成分的表达、传质速率的度量、质量传递的基本方式;扩散传质主要内容为斐克定律、气体中的扩散过程、液体中的扩散过程、固体中的扩散过程、扩散系数及其测量;对流传质主要内容为对流传质系数、浓度边界层概念及其对传质问题求解的意义、紊流传质的机理、对流传质的数学描述、对流传质过程的相关准则数、对流传质问题的分析求解;相际间的对流传质模型主要内容为薄膜理论、渗透理论、表面更新理论和一维固液相变问题。

3.3 传热传质问题的分析和计算

传热传质问题的分析和计算分为动量、热量和质量传递的类比、对流传质的准则关联式和热量和质量同时进行时的热质传递三部分。动量、热量和质量传递的类比部分主要内容为三种传递各自的速率描述、三传方程、动量交换与热交换的类比在质交换中的应用;对流传质的准则关联式主要内容为流体在管内受迫流动时的质交换和流体沿平板流动时的质交换;热量和质量同时进行时的热质传递主要内容为同时进行传热与传质的过程、同一表面上传质过程对传热过程的影响、刘伊斯关系式和湿球温度的理论基础。

3.4 空气的热湿处理

空气的热湿处理分为空气的热湿处理途径、空气与固体表面之间的热湿交换和空气与水直接接触时的热湿交换三部分。其中空气热湿处理途径部分主要内容包括空气调节的几个相关概念、空气热湿处理的原理和方案、空气热湿处理及设备;空气与固体表面之间的热湿交换部分主要内容包含湿空气在冷表面上的冷却降湿过程和湿空气在肋片上的冷却降湿过程;空气与水直接接触时的热湿交换主要内容为热湿交换原理、蒸发冷却装置的工作原理、与水直接接触时空气的状态变化过程、空气与水直接接触时的对流增湿和减湿、影响空气与水表面之间热质交换的主要因素和空气与水表面的热质交换系数。

3.5 吸附和吸收处理空气的原理与方法

吸附和吸收处理空气的原理与方法分为吸附材料处理空气的原理和方法以及吸收剂处理空气的原理和方法两部分。其中吸附材料处理空气的原理和方法主要内容包括吸附的基本知识和概念、等温吸附线、常用吸附剂的类型和性能、多孔介质传质浅析、空气静态吸附除湿和动态吸附除湿;吸收剂处理空气的原理和方法主要内容包括吸收现象简介、液体除湿剂的类型和性能、吸收剂处理空气的机理、影响吸收的主要因素。

3.6 间壁式热质交换设备的热工计算

间壁式热质交换设备的热工计算分为间壁式热质交换设备的形式与结构、间壁两侧流体传热过程分析、总传热系数与总传热热阻、间壁式热质交换设备热工常用计算方法、表面式冷却器的热工计算以及其他间壁式热质交换设备的热工计算六部分。其中，间壁式热质交换设备热工常用计算方法主要内容包括热工计算的基本公式、对数平均温差、效能-传热单元数法、对数平均温差与效能-传热单元数法的比较;表面式冷却器的热工计算主要内容包括表冷器处理空气时发生热质交换的特点、表冷器的传热系数和表冷器的热工计算;其他间壁式热质交换设备的热工计算主要内容包括空气加热器的热工计算和散热器的热工计算。

3.7 混合式热质交换设备的热工计算

混合式热质交换设备的热工计算分为混合式换热器的形式与结构、影响混合式设备热质交换效果的主要因素、混合式设备发生热质交换的特点、喷淋室的热工计算、冷却塔的热工计算和其他混合式热质交换设备的热工计算六部分。其中混合式换热器的形式与结构的主要内容包括混合式热交换器的种类、喷淋室的类型和构造和冷却塔的类型与结构;混合式设备发生热质交换的特点的主要内容包括喷淋室热质交换的特点和冷却塔热质交换的特点;喷淋室的热工计算的主要内容包括喷淋室的热交换效率系数和接触系数、喷淋室的热交换效率和接触系数的实验公式、喷淋室的计算类型、喷淋室计算的主要原则、喷淋室的设计计算方法和喷淋室的校核计算方法;冷却塔的热工计算的主要内容包括冷却塔的热工计算方法和冷却塔的计算方法举例;其他混合式热质交换设备的热工计算的主要内容包括加湿器的热工计算和喷射泵的热工计算。

3.8 复合式热质交换设备的热工计算

复合式热质交换设备的热工计算分为影响复合式设备热质交换效果的主要因素、蒸发冷却式空调系统的热工计算以及温湿度独立调节空调系统三部分。其中蒸发冷却式空调系统的热工计算部分主要内容包括直接蒸发冷却器的类型与性能、直接蒸发冷却器的热工计算、间接蒸发冷却器的类型与性能、间接蒸发冷却器的热工计算、一级蒸发冷却空调系统设计计算方法、二级蒸发冷却空调系统设计计算方法和三级蒸发冷却空调系统设计计算方法;温湿度独立调节空调系统部分主要内容包括温湿度独立调节空调系统的简介、温度调节系统、湿度独立处理设备和温湿度独立设备的应用。

3.9 课程思政

学习本课程时，可将节能减排的思政元素和表冷器（间壁式热质交换设备）的学习内容相融合。例如在第六章学习时，说明表冷器是空调系统中的一种热质交换设备，表冷器内不仅存在着因温差导致的显热的传递，同时也存在着由于水蒸气的传质所带来的潜热传递，两者共同影响着表冷器内冷热两种流体之间的换热速率。因而运用热质交换理论可优化表冷器内的热质传递过程，以达到节约表冷器的运行能耗。通过上述内容的讲解，可使学生了解本门课程对于节能减排的意义，增强专业责任感。

4 课时安排

“热质交换原理与设备”课程具体的学时建议安排可参考下表。

5 课程考核

以往评定学生是否能够取得该门课程的学分，通常在课程结束后举行一场考试，该考试成绩在总评成绩中占70%，平时成绩在总评成绩中占30%，总评成绩不低于60分的同学将视为成绩合格，取得该门课程的学分。该考核方法中考试成绩所占权重过高，许多同学正是看到这一考核特点，所以在平时学习时并不努力，只是在考前搞突击。这种应试教育导致学生对该门课程知识掌握不够深入，专业基础不够扎实，直接影响后续专业课的学习。为了克服这一缺点，建议降低课程结束后的考试成绩在总评成绩中的权重，而在学习中增加平时课堂小测验的次数，所有小测验的成绩均列入总评成绩中。这样学生就会重视平时的学习，从而对课程知识点掌握比较扎实。

6 教学实施建议

（1）“热质交换原理与设备”授课内容应与日常现象相结合。例如，在讲授扩散传质时，可引导学生想象在学校食堂的情景，鼻子总能够闻到饭菜的味道，这正是扩散传质所起的作用，增强学生对所学内容的感性认识。

（2）传热传质公式的推导过程略讲，重点在于培养应用传热传质公式解决问题的能力。

（3）课堂上增加师生探讨内容，以充分发挥学生学习的积极性和主动性。

（4）在教学中增加与“热质交换原理与设备”课程相關的传热传质实验教学内容，以便让学生结合实验现象更好地理解课堂中学习到的理论知识。这样使得本门课程的学习内容不会过于抽象和枯燥，从而激发学生学习热质交换原理与设备课程的兴趣。

结语

“热质交换原理与设备”课程具有深化学生的专业素养的作用，该课程对学习专业课以及今后的工作均有重要的作用。例如运用热质交换知识可优化热质交换设备的设计，强化热质交换设备的传热传质速率，以达到提高运行效率，降低运行费用的目标。热质交换原理与设备教学大纲正是依据上述教学目标进行编制的。

参考文献：

[1]郑苏娟.河海大学2020版《高等数学》教学大纲修订的点滴体会[J].高等数学研究，2021，24（1）：99-102.

[2]邝继顺，凌纯清，胡红平.教学大纲核心内容与编制要点[J].计算机教育，2021（1）：129-132.

[3]吕留根，罗义英.热质交换原理与设备教学探索与思考[J].中国教育技术装备，2018（12）：104-106.

[4]孔凡红.讲好《热质交换原理与设备》的第一课[J].科技创新导报，2009（31）：235-236.

[5]郑佳宜，王芳，关军，谭俊杰.热质交换原理与设备课程设计的实践与创新[J].大学教育，2018（9）：77-79.

[6]刘志斌，毕海洋，蒋爽，范伟.“热质交换原理与设备”课程教学改革探索与实践[J].2020（49）：330-332.

[7]连之伟，陈宝明.热质交换原理与设备（第三版）[M].北京：中国建筑工业出版社，2017.

作者简介：余德洋（1973— ），男，江苏兴化人，硕士，研究方向：传热与热质交换课程建设。