HTRI软件应用在《传热学》教学中的实践与探索

广东化工2020年第11期· 266 · 第47卷总第421期HTRI软件应用在《传热学》教学中的实践与探索
张庆*，王红艳，曹红霞，马尚尚
(宿州学院化学化工学院，安徽宿州234000)
[摘要]换热器设计是传热学理论知识应用的重要一方面，在传热学学习中应加强学生对传热理论的实践应用。

本文将HTRI软件应用实践与传热学课程教学相结合，在教学中给出了工程实例，采用科学有效的教学方式与团队协作模式，提高了学生对传热学知识的理论理解与解决实际问题的能力，为传热学课程教学方式提供了一定的参考。

[关键词]传热学；HTRI软件；换热器设计
[中图分类号]G642.0 [文献标识码]A [文章编号]1007-1865(2020)11-0266-02
Practice and Exploration of HTRI Software Application in Heat Transfer Teaching
Zhang Qing*, Wang Hongyan, Cao Hongxia, Ma Shangshang
(College of Chemistry and Chemical Engineering Suzhou University, Suzhou 234000, China) Abstract: The design of heat exchanger is an important aspect of the application of heat transfer theory. In the study of heat transfer theory, students should strengthen the practical application of heat transfer theory. This paper combines the practical application of HTRI software with the teaching of heat transfer course, and gives an engineering example in the teaching. By adapting scientific and effective teaching method and
team cooperation mood, it improves the students’ theoretical understanding of heat transfer knowledge and the ability to solve practical problems, and provides a certain reference for the teaching method of heat transfer course.
Keywords: heat transfer；HTRI software；heat exchanger design
传热学是高校中开设过程装备与控制工程专业的学生所必须
学习的一门核心理论课程，其所讲述内容涉及生产生活中与热传
递相关的一切领域，主要介绍了传热的理论、实验及应用，是一
门理论及应用性均很强的核心课程[1-2]。

伴随着近些年来我国工业
化进程的加快，国家经济持续增长，国内外市场均对换热设备的
需求量增加，这就要求将传热学课程教学与工程实践紧密结合起
来，来加大培养学生实际设计计算换热设备的能力，为国家工业
化发展培养实用人才。

HTRI是一套建立在热传递理论基础上的专门用于过程设备
热工艺设计的软件，针对有无相变热传递及各种不同形式换热器
均积累了大量传热实验关联式，并得到了换热器设计市场的广泛
认可，在全球拥有多家研究机构及会员[3-4]。

其特点是热工艺设计
计算模块多，计算精准，效率高，是全球换热器制造行业公认的
标准换热设备设计软件。

将HTRI软件应用实践与传热学课程结合起来，能够进一步
加深学生对热传递理论的理解，培养学生解决实际行业问题的能
力与思路，紧密结合专业对口行业的需求，来培养学以致用的行
业人才。

1 传热学课程特点及问题
传热学课程是一门涉及诸多理论知识的专业课，内容上具有
大量的理论推导，需应用到高等数学中的微分与积分知识，如杨
世铭的第四版的《传热学》第2章稳态热传导的数学描写的章节
[5]，需要学生具有较好的数学基础来理解课程内容。

此外，传热
学课程中还介绍了大量的与热传递有关的实验及计算关联式，如
杨世铭的第四版的《传热学》第6章的单相对流传热的实验关联
式[5]，需要学生理解实验数据的处理与数学公式的拟合。

而对于
本科阶段过程装备与控制工程专业的学生而言，其数学理论基础
有限，接触到的专业实验较为简单，对于课程内容的理解往往不
够，而将传热学知识真正用到实际换热设备的工艺设计对于学生
来说很陌生，这就使得课程内容脱离实际，仅仅变成学生应对考
试的一门理论课程。

因此将实际换热设备设计实践教学与传热学
课程结合起来变得十分必要。

2 基于传热学传热理论的换热器设计思路
对于换热器的热工艺计算有两种，一是根据工艺条件设计新
换热器，确定其所需换热面积。

二是针对已有结构换热器，核算
其换热面积能否适用于非设计工况条件。

针对两种换热器设计思
路，换热器计算的传热平衡方程为：
(1)
(2)
其中换热面积由换热器结构决定，对数温差取决于工艺流体
进出口温度。

使用传热关联式及经验热阻值计算总传热系数，对于两侧均
有污垢的换热器，基于管子外表面计算总传热系数为：
(3)
式中管内外传热系数由实验关联式确定，污垢热阻值根据换
热介质由经验选取，得到总传热系数K，代入式(1)，得到所需换
热面积，若实际换热器面积大于所需换热面积，则所设计换热器
能够承担换热工艺的要求，换热器设计思路如图1。

图1 热交换器设计流程
Fig.1 Heat exchange design process
3 HTRI软件用于传热学教学改革
传热学课程介绍了热传导、热对流与热辐射的理论内容，此
外还介绍了大量的传热学实验及得到的实验关联式。

这为换热器
的热工艺设计打下了良好的理论基础，而针对某种换热形式及换
热元件的实验关联式多种多样，且各关联式准确性有待进一步验
证，学生仅停留在对课本知识的记忆与理解上，很难消化吸收传
热学庞杂的数学公式，且换热器形式多变，单种换热器结构复杂，
流体流动状态多变，利用所学传热学热传递理论及实验关联式进
行手算换热设备必然造成大量的时间成本与人力成本的损耗，而[收稿日期] 2020-05-07
[基金项目] 王红艳名师工作室(2016msgzs071)；地方高校新工科背景下化学化工类专业实践教学的探索与实践(2017jyxm0504)
[作者简介] 张庆(1993-)，男，宿州市，博士，主要研究方向为过程装备热质传递强化。

*为通讯作者。

2020年第11期广东化工
第47卷总第421期 · 267 ·
建立在对传热学基础理论知识的了解基础上，能够明白不同换热场合及换热元件对应的关联式的选取，能够明白换热器整体的设计思路，应用功能齐全强大的换热器设计软件就能合理的设计出所需换热设备，进而学以致用，更深层次的理解传热学教学内容，同时提高学生实践能力，能够直接对接将来的工作与科研任务，起到非常好的教学效果。

3.1 教学内容
在传热学教学中应把握住与换热器设计相关的课程内容，摘出重点让学生理解掌握，主要有：(1)对过程热平衡方程的理解，换热器两侧存在冷热流体，作为热量交换的场所，其必然基于热量平衡方程，这有助于确定换热器的介质的基础工艺参数，如流量、进出口温度、进出口气化率与压力等。

(2)对过程传热系数分布的理解，传热学课程中要弄明白传热过程中热阻的分布，在换热器中热阻主要有管内对流换热热阻、管壁热阻、管内外污垢热阻及管外对流换热热阻。

(3)对不同介质的物性参数对传热的影响的理解，在传热学课程中介绍了大量的实验关联式，而实验关联式中包含的无量纲量不仅反映了介质流动状态的影响，也反映出介质物性参数对换热的影响，而换热器设计中正确输入对应压力与温度下的介质的物性曲线是十分重要的。

(4)对不同换热元件应用场合的理解，换热器设计的一个重点是换热元件的选取，针对不同的换热形式，选择合适的换热元件才能够进行换热器的合理合计与热传递过程的强化。

(5)对换热器型式的理解，在传热学课程中介绍了不同的换热器型式，对每种换热设备的基本换热原理能够理解，有助于对换热器设计的结构优化。

3.2 教学方式
在将HTRI设计软件与传热学课程结合起来的教学模式中，应先注重学生对于传热学基础知识的掌握与理解，这样在对于HTRI软件的实际操作中才能够明白其所依据的理论基础，进而能够对换热器的设计进行一定的优化计算。

在对传热学基础理论学习掌握后，应结合高校的机房教学的硬件设施，开展一定时间的上机操作实践课程，教师通过边操作边讲解，结合传热学课程知识进行换热器实例的设计演示，而后对学生进行小组划分，下发换热器设计任务，鼓励学生针对分配的设计任务开展讨论，从而确定设计方案，进行实际的换热器设计，针对每个组设计结果进行讨论分析，来提高学生实践能力，增强教学效果。

3.3 教学效果
在团队的设计讨论中，激发了学生的学习热情，通过讨论能够加深学生对传热学知识的理解，锻炼了学生的团队协作的能力，让学生提前适应工作或科研岗位上的团队合作模式，培养基本合作素养，同时合作设计计算换热器的过程能很大地增强学生对课程学习的热情与科学研究的兴趣，切实提高学生学以致用的能力。

4 HTRI应用教学实例
在实践教学中，基于培养学生实际动手能力为目标，结合实际设计例题，来让学生能够在软件实际操作中学习理解理论知识。

以水作冷却剂冷却苯，要求设计一台管壳式换热器，给出工艺条件如表1[6]。

表1 工艺条件
Tab.1 Process conditions
工艺流体热流体(Benzene) 冷流体(Water) 总质量流量/(kg·s-1) 15.1 19.2
入口温度/℃92 32
出口温度/℃53
入口压力(绝压)/kPa 550 450
允许压降/kPa 90 60 污垢热阻/(m2·K·W-1) 0.00017 0.00017
采用HTRI设计软件，给出换热器设计结果如表2。

表2 换热器设计结果
Tab.2 Design results of heat exchanger
项目设计结果
壳体内径/mm-管长/mm 400-4500
换热管外径/mm-壁厚/mm Φ19-2
管子数-布管方式189-30°排布
折流板形式-间距/mm-块数-缺口单弓形-200-18-25%
管程流速/(m·s-1)-壳程流速/(m·s-1) 0.58-0.73
管程压降/kPa-壳程压降/kPa 2.974-33.716
管程传热系数/(W·m-2·K-1)-壳程传热系数/(W·m-2·K-1)-总传热系数/(W·m-2·K-1) 3547.200-1825.720-752.520
换热面积/m250.336
面积裕量/% 20.890
设计结果满足压降及面积裕量要求，所设计换热器能够满足工艺操作条件要求。

5 结束语
将HTRI换热器设计软件应用与传热学课程教学相结合，开展软件实践教学，理论与实际相结合，依靠高校硬件或学生本身的计算机平台，采用科学有效的教学方式与团队协作模式，能够提高学生对传热学知识的理论理解与实践动手能力，培养学生分析解决实际问题的能力，从而培养应用型与创新型人才。

符号说明
Q换热量，W下标
K总传热系数，W·m-2·K-1hot热流体
A换热面积，m2cold冷流体
△T对数温差，K in进口
m 质量流量，kg·s-1out出口
i 焓，kJ·kg-1i管内
h 对流换热系数，W·m-2·K-1o管外
R 热阻，m2·K·W-1w管壁
参考文献
[1]李志国．“传热学与换热器”课程的优化整合探讨[J]．中国电力教育：企业版，2012，000(010)：51-51，66．
[2]刘立平，师少鹏．传热学课程教学的改革探索[J]．高等农业教育，2004(3)：74-75．
[3]田朝阳，刘丰，刘世平．如何用HTRI进行特型管换热器传热计算[J]．化学工程与装备，2012(3)：87-89．
[4]司磊．HTRI在管壳式换热器选型中的应用[J]．中国石油和化工标准与质量，2012，032(007)：60．
[5]杨世铭，陶文铨．传热学(第四版)[M]．北京：高等教育出版社，2006．
[6]孙兰义，马占华，王志刚，等．换热器工艺设计[M]．北京：中国石化出版社，2015．
(本文文献格式：张庆，王红艳，曹红霞，等．HTRI软件应用在《传热学》教学中的实践与探索[J]．广东化工，2020，47(11)：266-267)。