传热学(Heat Transfer)

仙仙

        课程名：传热学(Heat Transfer)  学分：3.5  学时：56  
课程类别：专业教育基础必修课  
开课学院：食品学院  所属基层教学组织：
曾任课教师：
        课程大纲：
一、课程性质与目的
    传热学是研究热量传递规律及其应用的工程技术学科。是我校建筑环境与设备工程、热能与动力工程专业的一门必修的主干技术基础课程。本课程不仅为学生学习有关的工程技术课程提供基本的理论知识，而且也为学生以后从事热能的合理利用、热工设备效能的提高及换热器的设计和开发研究等方面的工作打下必要的基础。
    通过本课程的学习，应使学生获得比较宽广和巩固的热量传递规律的基础知识，具备分析工程传热问题的基本能力，掌握计算工程传热问题的基本方法，并具有相应的计算（包括理论分析和数值计算）能力。
二、课程简介
    本课程主要讲授导热、对流和热辐射三种热量传递方式的物理概念、特点和基本规律，通过本课程的学习，通过本门课程的学习，使学生具有必要和坚实的有关热量传递的基本理论知识，有相应的分析、计算及实验技能的基本训练，为学生专业知识奠定扎实基础。
三、教学内容
第一章  绪论（2学时）
    了解传热学与工程热力学在研究内容和方法上的区别，认清传热学的研究对象及其在工程和科学技术中的应用。本课程是一门研究热量传递基本规律及其应用的技术基础课，学习目的在于掌握一般工程技术中热量传递的基本规律和处理传热问题的基本方法；能够应用这些知识来解决遇到的实际问题；并为学习有关的工程技术课程提供必要的理论基础。能量守恒定律是一个基本定律，在传热学中应用甚广，应作为主要线索贯穿于本门课程的始终。
    掌握热量传递的基本方式：导热、对流和热辐射的概念和所传递热量的计算公式。认识到工程实际问题的热量传递过程往往不是单一的方式而是多种形式的组合，以加深传热过程的概念及传热方程式，为后面依次讨论导热、对流换热和辐射换热提供整体概念。初步理解热阻在分析传热问题中的重要地位。
第二章  导热基本定律和导热微分方程（4学时）
    重点掌握傅里叶定律和导热微分方程。着重理解推导各向同性材料、具有内热源的导热微分方程的理论依据和思路，以及导热微分方程中各项的物理意义。了解影响导热系数的主要因素及常用工程材料与介质的导热系数的数量级，了解保温材料的工作原理及其在节能技术中的应用。理解定解条件（包括初始条件和边界条件），重点掌握常见的三类边界条件。
第三章  导热问题的分析解（6学时）
    能应用傅里叶定律或导热微分方程对常物性、无内热源的一维稳态导热问题（平壁、圆筒壁、球壁和等截面直肋片）进行分析求解，得出温度场及导热量的计算公式。并能对具有内热源的单层平壁导热问题进行求解。了解变导热系数的处理方法。了解肋片在工程中的应用场合，能应用肋效率的曲线来计算直肋和环肋问题。加深理解热阻概念及其在分析导热问题时的重要性。了解接触热阻及用形状因子的方法求解多维稳态导热问题的方法。
    了解非稳态导热过程的特点及热扩散率。掌握集总参数法的分析求解方法，了解其限制条件。能列出一维非稳态导热问题的微分方程及定解条件，能应用诺谟图及近似计算公式进行工程计算，了解简单形状物体的二维、三维问题的乘积解法。掌握半无限大物体的非稳态导热。
第四章  导热问题的数值解（2学时）
    掌握导热问题数值求解的基本步骤、思路。重点是能用热平衡法导出二维稳态导热问题内部节点及常见边界条件下边界节点的离散方程。了解用迭代法求解离散方程的方法，通过上机计算二维稳态导热物体中的温度分布及导热量。
    对非稳态导热问题重点应放在非稳态项的离散以及扩散项离散时所取时间层不同对计算带来的影响。能用热平衡方法导出一维非稳态导热问题的显式离散方程。从物理概念上了解稳定性条件。
第五章  对流换热原理（6学时）
    牛顿冷却公式是对流换热计算的基础，要求重点掌握。掌握流动边界层和温度边界层概念。理解影响对流换热的因素。理解局部表面传热系数与平均表面传热系数的不同含义和作用以及它们之间的关系。
    理解描写常物性流体对流换热的微分方程组，了解其定解条件。着重理解流体层流流动时能量微分方程的边界层简化方法及这一简化的物理和数学意义。了解积分方程求解外掠等壁温平板层流换热问题的方法。
    理解相似原理或量纲分析在指导对流换热实验中的作用，准则方程的导出。掌握实验数据的整理方法。了解近似模化和自模化在实验技术中的作用。
第六章  单相流体对流换热（6学时）
    重点理解各种典型对流换热过程的流动图象，并能从流动图象定性地判断局部表面传热系数的变化。掌握管内换热入口段与充分发展段的概念。能正确和熟练地运用准则方程（实验关联式）计算下列情形下的对流换热：圆管及非圆形通道内（层流和湍流）强制对流换热，外掠单管及管束强制对流换热，简单形状物体的大空间自然对流换热。了解有限空间自然对流换热的概念。掌握强化单相流体对流换热的原理与技术。
第七章  凝结换热与沸腾换热（4学时）
    了解珠状凝结和膜状凝结的现象，推导竖壁上纯净蒸气层流膜状凝结换热的分析解。能正确和熟练应用竖管外和竖壁上与水平管和管束外凝结换热的计算公式进行计算，了解影响凝结换热的主要因素及强化途径。
    重点掌握大容器饱和沸腾曲线上的核态沸腾区，临界点和过渡沸腾、稳定膜态沸腾区。理解确定临界热流密度的工程意义。能够计算大容器的饱和核态沸腾换热、临界热流密度。了解影响沸腾换热的主要因素及强化途径。
第八章  热辐射的基本定律及实际物体的辐射特性（6学时）
    理解热辐射的本质、基本特征，掌握热辐射的基本定律。重点掌握斯忒藩－玻耳兹曼定律及基尔霍夫定律、黑体辐射函数表的应用。了解影响实际物体表面辐射特性的因素，表面辐射特性的重点是总吸收比和发射率。掌握漫射表面和灰体的概念，黑体和灰体表面辐射特性的异同。理解漫灰表面概念对简化辐射换热工程计算的重要意义。理解大多数工程材料可作为漫灰体处理的依据及意义。
第九章  辐射换热的计算（6学时）
    充分理解角系数的定义和性质（相对性、完整性和可加性）。了解角系数是纯几何因子，与表面温度及发射率无关，是在假设所研究的表面是漫射的以及在所研究表面的不同地点上向外发射的辐射热流密度均匀的条件下才成立。能用代数分析法及图线法计算常见几何结构的角系数。重点掌握有效辐射的概念，了解封闭腔的意义。掌握简单几何条件下，被透明介质隔开的漫灰表面间辐射换热的计算。能用有效辐射概念或网络法对二个和三个表面之间的辐射换热的计算。掌握辐射换热的强化与削弱的途径。
    理解气体辐射特点，了解影响气体辐射发射率的因素，能应用图表计算二氧化碳、水蒸气混合物的发射率、吸收比。了解温室效应原理。
第十章  传热过程分析与换热器热计算（6学时）
    再次理解热量传递三种基本方式常常不是单独存在，而是综合起作用的。了解复合换热过程的计算方法，了解辐射换热表面传热系数的概念。理解传热过程的概念。掌握总传热系数及其核算面积以及传热量的计算方法。理解传热系数的组成，能应用热阻的概念分析综合性的热量传递过程。掌握强化与削弱传热的原则和手段。掌握对数平均温差的推导和计算。了解紧凑式换热器及其工程应用。要求学会用平均温差法或效能——传热单元数法进行换热器的热计算。能对12个传热问题进行综合分析。了解污垢热阻及其工程确定方法。
第十一章  专题简介（2学时）
    理解在一定条件下传质与传热的类似性。能分析几个简单的传质过程，能用对流传质的准则方程式进行传质计算。了解热管的原理及应用。了解太阳辐射的特点及太阳能利用。
考试（2学时）
实验（2个，共4学时）
    1. 空气横掠单管对流换热系数的测定
    2. 圆球法导热系数的测量
四、教学基本要求
    要求学生熟练掌握导热、对流和热辐射三种热量传递方式的物理概念、特点和基本规律，并能综合应用这些基础知识正确分析工程实际中的传热问题。掌握计算各类热量传递过程的基本方法，能对典型的工程传热问题进行计算，能对间壁式换热器进行热力设计。掌握强化或削弱热量传递过程的方法，并能提出工程实际中切实可行的强化或削弱传热的措施。
五、教学方法
    本课程采用多媒体课件和板书相结合的方法讲授。
    考试主要采用闭卷方式，考试范围应涵盖所有讲授内容，考试内容应能客观反映出学生对本门课程主要概念、规律和方法的掌握程度和综合运用基本知识解决问题的能力。
    总评成绩：平时作业占20%、课堂讨论和出勤占10%、闭卷考试占70%。
六、参考教材和阅读书目
参考教材：
    杨世铭、陶文栓编著.传热学.高等教育出版社
阅读书目：
    章熙民 任泽霈 梅飞鸣编著.传热学.中国建筑工业出版社
    童钧耕、卢万成编.热工基础.上海交通大学出版社.
    王补宣著.工程传热传质学（上下册）.科学出版社
七、本课程与其它课程的联系与分工
    《传热学》的主要先修课程有高等数学、大学物理等。为使课程的内容相互衔接，彼此呼应，高等数学中应包括：泰勒级数在近似计算中的应用、场论、傅立叶级数、线性方程组的解以及偏微分方程组的数值解法。传热学作为专业基础课为学生学习专业课打下基础，因此必须加强它的基础地位。
八、说明：
    1、为了巩固所学理论，培养学生运用理论解决实际问题的能力，课外习题不应少于60题，授课教师安排一定时间进行辅导答疑。
    2、本课程的实验应使学生通过动手操作验证课堂教学的理论，同时使学生在实验方法及测量参数等方面得到一定的锻炼，实验项目为3个（6学时），实验内容根据实验大纲进行，时间统一安排。
    3、在讲授中应选择有代表性的内容讲解，做到举一反三，搞启发式教学，着重培养学生的能力。
    4、期末考试采用笔试，百分制。考试内容覆盖全部教学内容，考题原则是基本、灵活、难度适当和新颖。期末考试成绩以70 %计入总评，课堂出勤率、课后作业和实验报告成绩，将以30%计入期末总评。
    5、考试题以检查学生在学习过程中对基本概念、基本方法、基本技术的理解和掌握，尤其是在期终总复习的过程中对整个知识系统的全面掌握和灵活运用。
    6、针对传热学的部分内容，可以采用多媒体教学。多媒体教学结合本专业的特点由授课教师统一安排。