化工原理考研中“传热”考研考点的分析*

范晓宇，王志平，曹月萍，李 强，李 欢

(集宁师范学院化学与化工学院，内蒙古 乌兰察布 012000)

关于化工原理教学改革的研究，学者围绕试卷命题质量、应用型本科教学改革、课程建设、考研探析等方面进行论述。朱守记等[1]在化工原理课程教材的选择、提高教师专业能力的深度和广度、引进现代教学平台提高学生学习的参与度、强化实验课程等实践环节、优化考核方式等方面进行探讨。吕春艳等[2]以培养创新型工科人才为导向，结合我校制药工程专业以中药制药工艺设计及新药研究与开发为主要特色的实际情况，从教学前准备、教学实施过程、教学效果评价三个方面对化工原理课程教学进行教学改革，以推进新工科背景下创新工程教育对工程人才的培养。余海溶等[3]分析了目前西南民族大学化工原理课程的教学现状和存在的问题。并分别从教学内容、学习兴趣、实践教学、学科竞赛和教学方法等几方面对教学模式改进方案进行探讨。孙健等[4]针对当前应用型本科院校不同学科交叉融合受限，导致工程人才跨界整合能力不足的问题，结合当前我国就业环境对新工科人才的要求，基于新工科建设和化工原理课程特点，将新工科的理念引入到化工原理教学中。张伟等[5]在当前高等学校注重培养创新型人才的背景下，分析了化工原理教学过程中应用问题教学法的必要性，并设计了以问题为导向的教学内容，采取互动教学模式，将仿真实验和企业案例引入课堂，探讨了问题教学法的应用方式。刘红姣等[6]对江汉大学近年来化工原理考研试卷命题现状进行分析，提出以课程考试大纲为基础，科学合理地编制拟卷范式，建立试卷命制的反馈机制，适时对命题工作进行研讨，提高研究生招生考试试卷命制质量。余传波[7]通过化工原理硕士研究生入学考试的辅导实践，将考试分析大纲、考试试题、使用教材和串讲总结的体会指导应用型本科化工原理课程的教学改革。倪献智等[8]在高等理工教育“强化基础、理工融合、工借理势、理势工发”的新思想新理念指导下，指出教学培养计划中对于化学和化工类专业在技术基础课程阶段的教学中愈来愈倾向于建立理工统一的教学平台，同时对化工原理课程分阶段教学研究及实践进行了总结。熊楚安等[9]在教学过程中，提出几方面教学意见：(1)是积极主动地参与化工原理课程建设；(2)注重平时积累、坚持不懈地推进化工原理课程建设；(3)坚持改革创新、加强教学设计，形成鲜明的课程特色和风格。陆维玮等[10]近年对化工原理考研进行了一些分析探讨，把握其发展变化的主流趋势及宏观规律，有的放矢地进行辅导。笔者经过文献调研，总结目前关于化工原理教学改革多以宏观层面总体把控、系统协调为主，而关于具体考研考点的分析较少。本文结合各高校化工原理考研真题关于传热部分的考试内容，深入分析传热考点，期望为考化工原理科目的学生提供方法上的借鉴。

1 课题研究目的及方法概述

针对越来越严峻的就业形势，考研逐渐成为本科学生站在毕业十字路口的绝佳选择，这不仅会增加后来就业的筹码，也对自身能力的塑造起到了积极的作用，所以考研热度逐年攀升。化工原理是很多高校化工专业及应用化学的必考科目，受到了学生的重视。但化工原理这门课程自身实践性较强，应用范围广、难度大，同时需要较强的计算能力，所以考研的学生需要付出很大一部分精力专注于此。针对该情况，本课题研究了化工原理考研中重要组成部分——传热的知识点梳理及部分真题讲解。目的是通过对该部分内容的整理，期望对于该方向准备考研的学生提供帮助。

对目前集宁师范学院化学与化工学院考研学生进行访谈、聊天，明确了他们的考研专业课方向大致为：四大化学中选考两门或者是考综合化学。笔者考虑到除这两种选择外，还可以选择考数学加化工原理两门业务课，且在交流过程中部分学生表达了相应的想法。通过对往年考研学生的分析，发现这一块确实是目前急需要解决的短板。图1为课题研究方法路线，现对该路线作简要说明。首先，基于目前学生考研情况确定研究目标，之后采用线上文献调研的方式确立所研究课题名称为化工原理考研中“传热”考研考点的分析。然后根据目前学生制定研究计划，与考研学生互动且向该方向有研究经验的教师请教进一步明确研究计划，给出研究的指导性框架。接着制定具体的研究步骤，结合反馈信息不断凝练研究成果，与已有成果进行对比，加入具体实例夯实研究成果，最终形成成熟的研究结论。

图1 课题研究的方法路线

2 课题研究支撑条件及内容概述

集宁师范学院自成立以来，大力推进教育教学改革，在专业调整、课程设置、教学计划修订、教学内容、教学手段和方法改革等方面已经做了大量工作，奠定了良好的基础。加大了对教学改革研究的支持力度，制定了一系列措施推动全院教学和培训的改革，规定了将教学研究项目与科研项目同等对待，对教学成果实行重点奖励和扶持。各级领导对学生的考研事项关怀备至，不仅在精神上鼓舞学生努力考研，而且在物质上大力支持。配备专门的任课教师对不同考研门类的学生进行辅导，提供专用的教室供考研学生学习，第一时间向考生传达最新考研信息，最大程度的具备了考研所需的一切设施条件。

本课题研究内容为化工原理中重要组成部分——传热的知识点梳理及真题讲解，图2给出概述框架。传热是化工原理考研重点，考试必有一道计算题，也会出现选择与填空题。在传热过程考试中，一是重点掌握热传导及导热系数的概念，掌握对流传热的基本定义，了解辐射传热的相关概念；二是重点掌握平壁一维定态热传导与圆筒壁一维定态热传导内容，这两项内容为热传导部分常考内容；三是掌握换热器总换热系数的计算与换热器传热过程的强化，明白热平衡方程的表达形式及应用，这部分内容常以填空及计算题的形式出现；四是掌握对流传热中涉及到的量纲的分析方法，牢记对流传热中一些相关准数的表达形式。此外，对于流体无相变时的对流传热过程的考察经常出现。

图2 课题研究内容框架

3 考研考点及真题分析

3.1 化工原理传热部分考研考点[11]

(1)传热过程概述，该部分内容包含热传导、热对流系数的计算及概念上的理解；

(2)热传导，该部分内容包含平壁一维定态热传导、圆通壁一维定态热传导的计算；

(3)换热器传热计算，该部分内容包含热平衡方程、总传热速率微分方程和总传热系数、传热计算方法的考查；

(4)对流传热计算，该部分内容包含对流传热量纲分析、无相变时对流传热系数等的考查；

(5)传热过程强化的考查。

3.2 传热的考研真题分析

3.2.1 真题1

用一传热面积为10 m2的蒸发器将某溶液由15%浓缩到40%，沸点进料，要求每小时蒸得375 kg浓缩液，已知加热蒸气压强为200 kPa，蒸发室的操作压强为20 kPa，此操作条件下的温度差损失可取8 ℃，热损失可忽略不计。试求：(1)开始设入使用时，此蒸发器的传热系数为多少？(2)操作一段时间后，因物料在传热面上结垢，为完成同样蒸发任务，需将加热蒸汽的压力提高到350 kPa，问此时蒸发器的传热系数为多少(查得20 kPa水蒸汽的饱和温度为61.1 ℃，汽化潜热为 2 354.9 kJ/kg；查得200 kPa水蒸汽的饱和温度为120.2 ℃；查得350 kPa水蒸汽的饱和温度为138.8 ℃)？

答案：(1)785 W/(m2·℃)；(2)578 W/(m2·℃)。

涉及考点：考点1。

解析：

水蒸发量：

F=1 000 kg，W=625 kg

溶液的沸点：

t=60.1+8=68.1 ℃

传热系数K为：

改变压力后的传热系数：

可见结垢以后的传热系数降低。

3.2.2 真题2

用套管换热器逆流冷却某热流体，热流体流量为1 000 kg/h，走管间，从150 ℃冷却到80 ℃，其定压比热容为3.35 kJ/(kg·℃)管壁对流给热系数为1 200 W/(m2·℃)。冷却水走管内，从15 ℃被加热到65 ℃，内管为φ25×2.5 mm，水的物性参数如下：ρ=1 000 kg/m3，cp=4.187 kJ/(kg·℃)，k=0.634 W/(m2·℃)，Pr=4.32。忽略管壁热阻和热损失，忽略温度对物性参数的影响，试求冷却水的用量和总传热系数。

答案：1 120 kg/h，924.63W/(m2·℃)。

涉及考点：考点3、考点4。

解析：

W1=1 000 kg/h，T1=150 ℃，T2=80 ℃，CP1=3.35 kJ/(kg·℃)

h1=1 200W/(m2·℃)，t1=15 ℃，t2=65 ℃，φ=25×2.5 mm

根据冷热流体的能量守恒可知：

W1cp1(T1-T2)=W2cp2(t2-t1)

所以冷却水的用量：

又因为：

内管中冷却水的流速：

雷诺数：

判断内管里为湍流。

(3.03×104)0.8×4.320.4=5036.6W/(m2·℃)

所以：

3.2.3 真题3

在由118根φ25×2.5 mm，长为3 m的钢管组成的列管式换热器中，用饱和水蒸气加热空气，空气走管程。已知加热蒸汽的温度为132.9 ℃，空气的质量流量为7 200 kg/h，空气的进、出口温度分别为20 ℃和60 ℃，操作条件下的空气比热为1.005 kJ/(kg·℃)，空气对流给热系数为50 W/(m2·℃)，蒸汽冷凝给热系数为8 000W/(m2·℃)，假定管壁热阻、垢层热阻及热损失可忽略不计。试求：(1)加热空气需要的热量Q是多少？(2)以管子外表面为基准的总传热系数K为多少？(3)此换热器能否完成生产任务？

答案：(1)80.4 kJ/s；(2)39.8 W/(m2·℃)；(3)能完成。

涉及考点：考点3、考点5。

解析：

(1)Q=w2cp2(t2-t1)=7 200/3 600×1.005×(60-20)=80.4 kJ/s

(3)A2=118×3.14×0.025×3=27.8 m2

Q=K2A2Δtm=39.8×27.8×91.45=101.184 kJ/s

通过对比，此换热器能够完成生产任务。

3.2.4 真题4

一台锅炉的炉墙由三种砖围成，最内层为耐火砖，中间为保温砖，最外层为建筑砖，三种砖的厚度及热导率分别为耐火砖b1=115 mm，λ1=1.160 W/(m·℃)；保温砖b2=125 mm，λ2=0.116 W/(m·℃)；建筑砖b3=70 mm，λ3=0.350 W/(m·℃)，现测得炉内壁和外壁表面温度分别为495 ℃和60 ℃。试计算炉墙单位面积的导热热损失。

解析：单位面积导热热损失为：

3.2.5 真题5

有一φ50×5 mm的不锈钢管，热导率λ1=16 W/(m·℃)，外面包裹厚度为30 mm，热导率λ2=0.2 W/(m·℃)的石棉保温层。若钢管的内表面温度为623 K，保温层外表面温度为373 K，试求每米管道的热损失及钢管外表面温度[12]。

解析：

保温层的外径r3=25+30=55 mm

由此，可计算每米管道的热损失：

真题4与真题5涉及考点2。

4 结 语

文章介绍了论文的研究思路及研究方法，以思维导图的方式梳理了传热考研考点内容，结合各高校化工原理考研真题对传热内容的考研考点进行深入分析，针对不同考点给出对应的典型例题，为考研考化工原理的考生提供了方法上的借鉴。此外，化工原理课程不仅要求考生对基础知识有较强的理解能力，更加要求考生能够拥有处理实际问题的能力。故考生复习时应先重点掌握基础知识，再结合具体实践强化知识点的应用。