工程热力学与传热学与体会介绍

工程热力学与传热学

题目：工程热力学与传热学课程总结与体会院系：水利建筑工程学院给排水科学与工程班级：给排水科学与工程一班

姓名：张琦文

指导老师：姚雪东

日期:2016年5月1日

认识看法地位作用存在问题解决措施未来

发展展望

传热学在高新技术领域中的应用

摘要: 热传递现象无时无处不在【2】它的影响几乎遍及现代所有的工业部门【1】也渗透到农业、林业等许多技术部门中。本文介绍了航空航天、核能、微电子、材料、生物医学工程、环境工程、新能源以及农业工程等诸多高新技术领域在不同程度上应用传热研究的最新成果。可以说除了极个别的情况以外,很难发现一个行业、部门或者工业过程和传热完全没有任何关系。不仅传统工业领域,像能源动力、冶金、化工、交通、建筑建材、机械以及食品、轻工、纺织、医药等要用到许多传热学的有关知识【1】而且诸如航空航天、核能、微电子、材料、生物医学工程、环境工程、新能源以及农业工程等很多高新技术领域也都在不同程度上有赖于

应用传热研究的最新成果,并涌现出像相变与多相流传热、(超)低温传热、微尺度传热、生物传热等许多交叉分支学科。在某些环节上,传热技术及相关材料设备的研制开发甚至成为整个系统成败的关键因素。

前言：通过对传热学这门课程的学习,了解了传热的基本知识和理论。发现传热学是一门基础学科应用非常广泛,它会解决许许多多的实际问题更是与机械制造这门学科息息相关。传热学是研究由温度差异引起的热量传递过程的科学。传热现

象在我们的日常生活中司空见惯。早在人类文明之初人们就学会了烧火取暖。随着工业革命的到来，蒸汽机、内燃机等热动力机械相继出现，传热研究更是得到了飞速的发展，被广泛地应用于工农业生产与人们的日常生活之中。当今世界国与国之间的竞争是经济竞争，而伴随着经济的高速发展也带来了资源、人口与环境等重大国际问题。传热学在促进经薪发展和加强环境保护方面起着举足轻重的作用。20世纪以前传热学是作为物理热学的一部分而逐步发展起来的。20世纪以后，传热学作为一门独立的技术学科获得迅速发展，越来越多地与热力学、流体力学、燃烧学、电磁学和机械工程学等一些学科相互渗透，形成多相传热、非牛顿流体传热、燃烧传热、等离子体传热和数值计算传热等许多重要分支。现在，机械工程仍不断地向传热学提出大量新的课题。如浇铸和冷冻技术中的相变导热，切削加工中的接触热阻和喷射冷却，等离子工艺中带电粒子的传热特性。核工程中有限空间的自然对流，动力和化工机械中超临界区换热，小温差换热，两相流换热，复杂几何形状物体的换热湍流换热等。随着激光等新的实验技术的引入和计算机的应用，为传热学的发展提供了广阔前景。

传热学是研究热量传递规律的一门学科，生产部门存在的多种多样的热量传递问题都可以用传热学来解决，这些部门包括能源、化工、冶金、建筑、机械制造、电子、制冷、

航天航空、农业、环境保护等。随着传热学的理论体系日趋完善，内容不断充实，已经发展为现代科学技术中充满活力的一门重要技术基础学科。传热学是研究不同温度的物体或同一物体的不同部分之间热量传递规律的学科。传热不仅是常见的自然现象，而且广泛存在于工程技术领域。例如，提高锅炉的蒸汽产量，防止燃气轮机燃烧室过热、减小内燃机气缸和曲轴的热应力、确定换热器的传热面积和控制热加工时零件的变形等都是典型的传热问题。传热的基本方式有热传导、热对流和热辐射三种。热传导是指在不涉及物质转移的情况下，热量从物体中温度较高的部位传递给相邻的温度较低的部位或从高温物体传递给相接触的低温物体的过程，简称导热。热对流是指不同温度的流体各部分由相对运动引起的热量交换。工程上广泛遇到的对流换热是指流体与其接触的固体壁面之间的换热过程，它是热传导和热对流综合作用的结果。决定换热强度的主要因素是对流的运动情况。热辐射是指物体因自身具有温度而辐射出能量的现象。它是波长在0.1~100微米之间的电磁辐射，因此与其他传热方式不同热量可以在没有中间介质的真空中直接传递。太阳就是以辐射方式向地球传递巨大能量的。每一物体都具有与其绝对温度的四次方成比例的热辐射能力也能吸收周围环境对它的辐射热。辐射和吸收所综合导致的热量转移称为辐射换热。实际传热过程一般都不是单一的传热方式，如火焰对炉

壁的传热就是辐射、对流和传导的综合，而不同的传热方式则遵循不同的传热规律。为了分析方便，人们在传热研究中把三种传热方式分解开来，然后再加以综合。

一、在航空航天、核能、微电子领域的应用

(1)人类征服天空和宇宙空间的不懈努力以及所取得的巨大成果,是当今世界上各领域高技术、新材料研究最集中的体现。其中传热学所起的作用功不可没。据美国航空和宇宙航行局(NASA)所作的技术分析,美国航天飞机的技术关键只有一个半,这半个是大推力的液氢—液氧火箭发动机(其中自然与传热有密切的关系),而那一个关键则是所谓“热防护系统”(TPS),即指以航天飞机外表面的防热瓦为主的整个热防护结构。它被视为可反复使用的航天飞机成败的最大关键。之所以把热防护系统提到如此重要的地位,是由于航天飞机极端复杂的气动热环境以及要求该防热系统必须能够重复使用

造成的。举几个数字为证,航天飞机在地球轨道上将反复地经受因太阳直接辐照产生的高温和进入地球阴影时面对接近

0K的宇亩空间导致的低温变化范围达到-157—55℃,同时还要经受1.33×10-4Pa的高真空环境,在以7.5km/s的速度从120km高度重返地球大气层时,飞行器表面的热流密度大约达到2.5×105W/m2帽上的温度高达1650℃,除此之外还必须能够经受太阳紫外线、高能粒子和微

陨石可能的撞击。在这样严酷的情况下要能够保证飞行安全内部的人员、设备不受任何干扰,必须采取特殊有效的热防护措施,为此先后研制成功并投入使用的第一代低温陶瓷防热瓦(LRSI)LI—900、第二代高温陶瓷防热瓦(HRSI)LI—2200以及较晚研制成功的由氧化硅纤维和氧化铝纤维组成的第二代陶瓷瓦HTP是这一系统的核心。

(2)红外辐射除了可以用于工业加热和物料干燥之外,红外测试技术还具有不干扰、不破坏原有温度分布的突出优点,因而在资源勘查、农作物估产、环境监测、火灾防护、医疗诊断，甚至刑事案件的侦破和军事侦察、跟踪等许多高技术领域当中扮演着重要的角色。

(3)多孔介质中的传热传质是当今传热学科很活跃的一个前沿领域。所谓多孔介质是以自然形态存在的一类特殊材料,如土壤的闭粒结构,很多建筑材料,如混凝土、砖、砂石等,生物材料,像人和动物的组织、脏器和皮肤等。它们一般是由固体骨架或固体颗粒堆积组成的多相体系,其中的质量、动量和热量的传递规律是揭开很多大自然秘密的关键因素。燃气轮机高温叶片的发散冷却技术,石油热采地热利用中地下热储的热量传递,利用土壤岩层进行蓄热、蓄冷,化工反应器如固定床和催化剂填充床中的传热传质过程,核废料在地下的安全存放,生物体和食品的贮存保鲜技术,城市污水及工业废水的排放、扩散(注入或渗入地下)与控制,农作物的节水灌溉

技术,谷物的长期存贮(冷却及干燥)等均属于多孔介质传热传质研究的范畴。人们还发现多孔材料常常是性能优良的强化传热传质媒体和隔热性能良好的热绝缘材料。为此已设计生产出各种“模拟的”人造多孔体材料,用它们制造换热设备以达到强化传热的目的或者制造用于极低温度环境下的超级隔热材料。

二、在生物医学工程、环境工程领域

(1)生物传热学是近年才发展起来的新兴传热学科分支。虽然远末达到完善的程度却已经显示出强大的生命力和令人鼓舞的应用前景。它是由生物学、临床医学和传热学多个学科领域交叉形成的一门新学科,其目的在于通过把传热学的基本原理和研究方法、手段引入到生物和医学工程领域中,探讨物质和能量在生物体内的传输规律,以便为诸多至今末解开的生物医学难题寻求有效的解决方案。比如人体器官、组织及皮肤癌变的热诊断与高温治疗,激光和超低温外科手术,人体器官移植与冷冻贮存,胚胎的低温保存,烧伤、烫伤和冻伤的临床治疗及康复等。除此以外,摸清生物传热的基本规律还可以为开发各种热疗和热诊断用的仪器设备奠定必要的理论基础。研究生物传热的困难在于生物组织本身的结构极其复杂，它们一般既是各向异性体，又是多相体、多孔体，同时还存在因生物代谢产生的内热源。生物体内有很多血管，要确定因血液灌流导致的热量传递是非常困难的。

而且几乎所有的动物、甚至一些植物都具备通过中枢神经系统来感知和调节自身温度的能力，这是一套极复杂的温度传感和控制体系。加之生物体内的传热温差通常非常小，生物材料的特性随民族、年龄、性别和身体状况等因素各不相同。

(2)以化石燃料(煤炭、石油和天然气)为主构成的常规能源终将耗尽，而且已经为期不远。以太阳能、地热能、海洋能(包括海洋温差和波浪能)以及效率更高的发电方式，如氢燃料电池、磁流体发电乃至可控核聚变为代表的新能源总要逐步走向前台，成为人类的主要消费能源。这些新型能源的获得、转换和使用都要以传热学的基本原理为指导。可以预计，这些新型能源技术的逐步完善一定会极大地推动传热学科的进一步发展。比如太阳能热利用就必须妥善地解决低能量密度情况下热能的有效采集和转换，以及因昼夜更替、气候变化带来的贮能问题。再比如地球上蕴藏海洋温差能的海域达到6×107/m2，发电能力达到1012W量级。但是可利用的温差仅15—25℃，要在这样小的温差下充分利用这个巨大的能源，非得有换热效率极高的热交换设备不可。

(3)以计算机芯片为代表的微电子元器件发展迅速，随着芯片体积微型化,线宽迅速下降,芯片表面的热流密度已经超过106w/m2,因此有“热障”之说,这对微型化高效冷却技术提出了极高的要求。近年用于高端服务器和桌面工作站的新型空气冷却装置的冷却能力也已经达到105w/m2。

(4)现代的机械加工工艺已经不限于传统的车、钳、铣、刨像激光钻孔、激光切割这类高热流、超短时间的新型加工手段已经用于石油钻井管等一些有特殊要求的场合,并取得了良好的技术和经济效益。这类特殊加工方式所涉及的热量传递问题己不能再用传统的导热理论来分析,而必须加入对热量传输速度的考虑,这类问题被称为“非博里叶导热”。

(5)环境与发展是当今全世界各国普通关注的两大问题。为了快速发展经济,不合理地甚至掠夺式地开发自然资源,以及在工业化初期对各种污染处理不当或者未加处理就任

意排放的现象十分普遍,造成的后果是极其严重的。环境污染主要由大气污染、水体污染和固体废物污染构成。仅就大气污染而言,主要包括气溶胶状态污染物(指固态、液态粒子利它们在气体中的悬浮物)、硫化物、氮氧化物、碳氧化物和碳氢化合物。气溶胶按粒径大小又分为总悬浮颗粒物、飘尘、降尘和可吸入粒子,这些都是评价大气质量的主要指标,同时也是对人身健康构成威胁的丰要因素。值得注意的是,这些类型的气溶胶几乎都是在燃烧、雾化、冷凝或凝结、凝聚、蒸发、升华等与传热有密切关系的过程中形成的。硫化物、氮氧化物和碳氧化物则基本上来自化石类燃料的燃烧和矿石

的焙饶、冶炼过程。所以,控制并最大限度地减少这些污染物离不开对传热学原理的正确掌握和运用。

(6)中国是水资源严重不足的国家,人均占有量不到世界

平均水平的四分之一,干旱地区甚至只有几十分之一。中国正处于经济高速发展时期电【2】力、冶金、化工、建树等部门都是耗电耗水大户,这是一个巨大的矛盾。在严重缺水地区建设空冷电站,在工业企业中改传统的水冷(湿冷)为蒸发冷却和空气冷却(干冷)是从根本上解决水资源短缺问题的重要途径,同时具有明显的环保效益。江河湖海不仅提供用水,同时也是保证人类生存环境,维持生态平衡的重要因素。无节制地排放未经适当处理的工业用水不仅造成水域的化学污染,还将构成局部水域的“热污染”。

三、在新能源领域

(1)随着航天技术水平的不断进步,低温领域研究的重要性变得日益重要起来。在卫星、火箭燃料、航天飞机【2】及其所携带的红外遥感和电子设备上,在航天器的地面模拟装置等方面,均需要用到低温技术和相应的装备。考虑到未来超导技术的大规模应用前景和氢气作为清洁能源成为车辆的主要燃料,低温技术的应用范围将更加广阔。仅就目前阶段的主要应用—航天方面而言,对材料和技术水平的要求已经相当高。

(2)军事领域里用到的传热知识更是数不胜数。从历史上看,相当多的传热技术是从军事用途开始发展并逐步走向完善和大规模应用的。例如战斗机燃气涡轮发动机的技术参数一贯代表这一领域的最高水平。20

机的涡轮前燃气温度已经达到1750K,正在研制的新机型甚至达到1860K,若没有非常有效的冷却技术,这么高的温度是无法想象的。再如红外摄像装置和传感器,最早也仅用于军事目的,像侦察用的夜视仪、导弹的红外跟踪寻的装置等。现在高灵敏度的红外摄像仪已经大量用于和平目的,如大范围的火灾报警和防护、洪水的监视、资源勘查、环境保护(用装在人造卫星上的红外摄像机可以大范围地监视地面和海岸线等的污染状况)等。此外,从地面军车到军舰、飞机、卫星都离不开各种类型的高效换热设备。