基于Aspen EDR的换热器原理及设计课程教学改革研究

［摘           要］  换热器作为工业生产过程中的加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，被广泛应用于石油化工、供热发电、食品加工等众多领域。针对高校换热器原理及设计课程教学及实践中存在的主要问题，建设性地将Aspen EDR软件引入教学、实验、作业、课程等各个环节，以一种全新的教学方法和理念，将枯燥的理论知识传授转变为学生可以自主设计、实验、模拟及实践的趣味性学习平台，让学生在沉浸式的学习氛围中掌握理论知识、实验方法、设计原理、软件模拟和工业应用，从而提高课程的教育教学质量。

［关    键   词］  换热器；Aspen EDR；教学与实践

［中图分类号］  G642                   ［文献标志码］  A                   ［文章编号］  2096-0603（2024）27-0０85-04

换热器又称热交换器，是将热流体的部分热量传递给冷流体的设备，是石油化工、供热发电、食品加工等工艺生产过程中不可缺少的单元设备，可作为加热器、冷却器、冷凝器、蒸发器和再沸器等，应用广泛[1]。以石油化工生产活动为例，换热器设备所需的费用占成本费用的近30%和运行费用的近90%。由此可见，换热器的设计对降低生产成本、提高运行效率起着决定性作用。换热器原理及设计作为能源与动力工程专业的主干专业课程，是研究各类换热器原理和设计的工程技术学科。通过该门课程的学习，学生在了解各种换热器工作原理的前提下，掌握以满足流动和传热为条件的热交换器的设计方法、实验研究方法、强化技术和性能评价等基本技能，为以后的科学工作、解决生产实际问题和科学研究打下扎实的理论和实践基础。但社会经济的快速发展和科技创新的不断推进，对人才培养提出了更高的要求，传统的课程教授方式存在的弊端开始凸显，教材内容与生产实际脱节，新技术、新方法无法在教学中应用，学生在枯燥的理论学习中失去热情。

2017年以来，教育部积极提出新工科的建设，着力推动现有工科专业的改造升级，旨在应对变化、塑造未来，完成未来多元化、创新型卓越工程任务。对于能源动力工程等传统专业的改造升级，该理念要求学生所学的专业应回到以实践、设计及综合为核心的轨道上，将前沿科技融入传统工科中，培养具备良好综合计算和分析能力的新型能源类工程师[2]。作为培养能源与动力工程专业新型技术人才的高校，必须积极面对和适应社会发展的新要求，对教学方向和方法做出相应的调整。因此，本文在充分反思现行教学工作存在问题的基础上，将Aspen EDR软件与现有的教学与实践相结合，提出了一些教学内容和方法等方面的革新措施，形成一套集理论分析、实际应用和前沿成果于一体的教学体系，提高课程的教育质量和学生的积极主动性。

一、课程教学及实践工作存在的主要问题

（一）教材内容陈旧乏新

课程现有教材以传统理论为主要内容，参考文献过于陈旧，而与生产实际贴近的新研究成果未被提及，新技术、新方法也未得到深入探讨，致使学生对换热器的认知有限，这样的教材内容已经难以适应新时代社会经济发展及技术创新的要求。

（二）教学形式墨守成规

从教学方法上来看，热交换器原理及设计教材相对比较单调，缺少直观的引导。而围绕现有教学内容所设计的实验环节，仍停留在传热系数、对流换热系数测定以及换热流体阻力特性实验等传热特性层面，无法建立对换热器的整体直观理解，加之教学方式仍以教师讲解为主，学生被动参与，不能通过实验获取操作、计算、思考、评价等科学研究所需的基本技能训练，科研思维没有得到有效拓展，在后期的毕业设计、生产实践中一旦面临实际问题，将无法有效应对并找到解决问题的方案。

（三）教学理念有待提高

教学过程以讲授为主，学生的参与度不高，同时教师讲授换热器学习与未来工作联系的重要性较少，学生的学习与未来工作脱节，不理解现在所学内容的目标和意义何在，缺乏学习的热情。因此，以教为主的教学理念已经无法跟上时代，有待于提高。

（四）支撑部分课程目标的难度较大

依据西安石油大学专业培养计划的需要，本课程设置了三个课程目标：（1）能够基于流体力学、传热学、工程热力学基础原理对换热器进行热设计和校核，同时基于换热器存在的传热、流动等问题提出针对性的优化措施和建议。（2）基于本课程学习，学生能够通过文献总结掌握换热器的发展方向以及在发展过程中面临的各种问题的解决方案。（3）通过本课程的学习，学生了解在换热器中传热及流动情况对能量经济利用的影响，树立能量高效利用的理念。其中课程目标一和目标三难以通过单纯传统的作业、考试、课堂讲授等方式达成及考核，仍需要借助于新的教学手段以及新的实践性教学内容进行支撑，以逐步形成综合、合理的课程考核体系。

二、Aspen EDR在课程教学与实践中的应用

由于换热器结构复杂，流体流动状态难以预测，手动计算必然会耗费大量的人力、物力。在设计过程中，应用功能强大的换热器设计软件，实现换热器的在线设计和校核，极大程度地降低了人工输入数据的错误率，保证数据的一致性，提高计算结果的可信度，节省大量的人工计算，有效提高设计效率[3]。Aspen EDR（Aspen Exchanger Design Rating）是当前被广泛应用的换热器设计软件，它不仅提供了丰富的热力学参数、严格的计算模型和与其他软件的无缝接口，而且使工程设计快速、准确无误，同时更能够通过查看分析报告（包括换热器工艺结构设计参数、相关图纸及经济性），给设计者提供可靠的依据和优化的思路及技术指标[4-5]。

换热器原理及设计课程的未来必将与计算机软件相结合，引入Aspen EDR软件，补充现有的教学内容和课程设计平台，将所学知识与实际工程设计相融合，使学生明确学习本门课程的目标和意义，增强他们的积极性，从而提高课程的教育质量。

（一）将Aspen EDR与换热器设计计算教学内容相对应

Aspen EDR具备管壳式换热器、板式换热器、板翅式换热器、空冷器、加热器等多种不同类型换热器的设计功能。换热器的设计主要模式有Design、 Rating、Simulation与Find fouling，即设计、核算与模拟等计算。在教学过程中，如何将Aspen EDR与换热器设计计算内容相关联呢？下面以管壳式换热器为例进行详细说明。

首先，利用Aspen EDR给学生展示管壳式换热器计算需要的主要参数（见图1），包括结构参数（如管径、封头）和工艺参数（如冷热介质的温度、压力、流量等），让学生明确设计换热器的初始条件。

其次，课堂上讲解管壳式换热器的结构计算时，对应讲解Aspen EDR软件中管排布置、管间距、壳体的尺寸、封头、管板、法兰等结构、材料选型，让学生清晰、直观地了解结构计算，认识到计算的是换热器的哪个部位。换热器换热和流动计算包括传热系数和传热面积、沿程阻力和局部阻力的计算，在教学过程中，利用Aspen EDR对换热器内流体的压降、阻力、热效率进行分析（见图2）。

再次，在初步设计的基础上，根据换热器的性能参数，如换热面积余量、压降、流速、传热系数及热阻分布等，判断换热器的性能。通过分析换热器存在的传热、流动等问题，对换热器结构参数进行多次调整，最终实现换热器的性能最优化，同时提出针对性的优化措施和建议。

最后，利用Aspen EDR经济性分析，明确所设计的换热器重量和成本（见图3），让学生充分认识到传热及流动情况对能量经济利用的影响，树立他们能量高效利用的理念，同时能够将所学知识与工程实际相融合，更有利于提高学生的积极性和主动性。

（二）搭建Aspen EDR 换热器课程设计的教学平台

本门课程最重要的就是实践，包括实验操作和实际运用。由于实验条件、安全性等方面的影响，实验操作有一定的局限，但实际运用却可以通过多手段教学模式。例如，结合Aspen EDR计算机软件建立换热器课程设计教学平台，锻炼学生的动手能力，真正让学生全方面地掌握本门课程的重点和难点，进而提高本门课程的教学效果。

如何搭建Aspen EDR换热器课程设计的教学平台呢？

首先，学校应提供相应的工作站以及免费Aspen EDR软件供学生使用，并教导学生学会如何安装软件。学习过程中采用理论分析计算与软件学习同步进行的教学方法，让学生对换热器的设计步骤和相应的知识点有更为深刻的理解。

其次，课堂上按内容和步骤教授学生学会利用Aspen EDR软件设计在给定条件下换热器的基本操作，包括输入参数、软件运行、结果分析等。课后，学生自行动手进行软件练习，采用Aspen EDR软件对课本中的例题进行重复建模，对比得到的计算结果，使学生更深刻地理解软件中每一项内容对应的意义和参数设置原则，通过查看换热器结构图（见图4），让学生直观地看到所设计的换热器的结构、管排布置、流动分析等。

最后，为了实现课程目标一的要求，通过课程结题大作业，以小组为单位，每个小组布置不同的设计题目，运用Aspen EDR软件，分别对管壳式换热器、空冷器、板式换热器等常见的间壁式换热器进行设计、校核和优化计算，让学生具备设计换热器的能力，从而对未来工作有初步的了解。

（三）形成集理论分析、实际应用和前沿成果于一体的教学体系

在上述工作的基础上，将传统换热器与目前换热器最新的研究内容和研究成果相结合，形成集理论分析、实际应用和前沿成果于一体的教学内容。

通过理论学习，同时借鉴法学、医学和军事等专业教学中所采用的案例教学法，以最新工程案例为对象，组织和引导学生积极参与案例的讨论和交流，鼓励学生通过学习案例发现问题、分析问题和解决问题，引导学生针对某些具体问题及其背景，学习运用多学科知识和经验分析和解决工程实际中的具体问题。例如，目前市场上新型、高效的换热器是缠绕式的，其市场集中度相对较高，但研发和设计难度大，生产制造工艺要求高[６]，且相关的教材相对又较少。因此，为了及时调整教学方向，可以借助Aspen EDR中Coil Wound 模型进行设计，让学生更加快速地适应市场需求，与时俱进，调动他们的积极性。此外，各行各业对高效能、紧凑型换热器需求的日益紧迫，这就要求换热器设计计算更加简单快捷，因此，需要学生掌握相应的软件使用技能，从而实现学校学习与社会工作同步发展、共同进步。

三、结束语

本文针对能源与动力工程专业换热器原理及设计的教学特点，深刻剖析本课程的教学工作存在问题，借鉴案例分析等新兴教学手段，丰富教学的多样性，解决现有课程单一枯燥、内容陈旧等问题，与时俱进地进行探索、改革和实践。教学内容上增加扩充Aspen EDR与换热器设计计算相关内容以及目前换热器最新的研究内容和研究成果，重视实践教学方法。同时，搭建Aspen EDR换热器课程设计的教学平台。在教学和平时实践中，鼓励和引导学生参与其中，增强与学生的互动性，增强学生的主观能动性，提高课程的教学质量，让学生对所学知识有了深入的理解，实现学生将知识转化为实际应用的能力，完成学生与社会接轨，为走向社会做好准备，同时为未来职业能力提升奠定一定的基础。

参考文献：

［1］ 王素华.列管换热器仿真实训［J］.内蒙古石油化工，2004，30（4）：45-46.

［2］ 池斌，蔡新江，陈鑫.新工科背景下砌体结构课程教学改革方案探索［J］.高教学刊，2024（6）：132-135.