《工程热力学与传热学》在机械领域中的运用

《工程热力学与传热学》在机械领域中的运用

（华南农业大学，工程学院，广州510642）

摘要：自18世纪30年代发明近代动力机械以来，人类的生产力出现了质的飞跃，生产水平跨上了一个个新的台阶。随后的蒸汽轮机、内燃机乃至燃气轮机的陆续应用则更使能源的转换和利用技术达到了前所未有的崭新阶段。这个进程至今仍在继续当中。传热学科的建立与发展、不断完善和提高是与上述过程相伴而行的。热传递现象更是无时无处不在，它的影响几乎遍及所有的工业部门，也渗透到农业、林业等许多技术部门中。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都在不同程度上应用传热研究的最新成果。

关键词：热传递传热学机械领域发展趋势

The application of engineering thermodynamics and heat transfer

in mechanical field

Qian Jianping

(College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou 510642, China) Abstract: Since the 1730 s, since the invention of the modern machinery, the productivity of human appeared a qualitative leap, the production level up a new step. Then steam turbines, internal combustion engines and gas turbine application in succession, more make the conversion and utilization of energy technology has reached the unprecedented new stage. The process is still continuing. The establishment and development of heat transfer science, and constantly improve and improve and is accompanied by the process. Heat transfer phenomenon is everywhere at all times, and its influence in almost all industrial sectors, also infiltrated in agriculture, forestry and many other technical department. the latest research results of application of heat transfer in different degree was use in Aerospace, nuclear energy, microelectronics, materials, biomedical engineering, environmental engineering, new energy and agricultural engineering, and many other high-tech fields.

Key words: heat transfer heat transmission science Mechanical field development tendency

热传递现象无时无处不在，它的影响几乎遍及现代所有的工业部门，也渗透到农业、林业等许多技术部门中。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，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。

热科学的工程领域包括热力学和传热学。传热学的作用是利用可以预测能量传递速率的一些定律去补充热力学分析，因后裔只讨论在平衡状态下的系统。这些附加的定律是以三种基本的传热方式为基础的，即导热、对流和辐射。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。

传热学的应用非常广泛，几乎渗透到生活的各个领域，如：传热学在传统机械工业领域和农业机械领域中的应用，传热学在高新技术机械领域中的应用等。

以下将《工程热力学与传热学》在机械领域中的运用分为两个方面进行介绍。

1、传热学在传统工业机械领域和农业机械领域中的应用

(1)在铸造、焊接、金属热处理等常规机械加工工艺过程中，存在大量的非稳态导热、移动边界的固液相变传热以及各类对流换热问题。在精密机械和精密仪器的制造和使用过程中，热应力和热变形量的预测、修正及控制也同样有赖于传热原理的指导。

(2)在各类机械控制方面，即在强电或弱电方面的应用，元器件的有效冷却和设备的更新换代都与强化传热研究有关。例如大型发电机的转子、定子绕组和定子铁心的冷却就是典型的对流传热问题。近百年来单机容量从几万干瓦扩大到百万千瓦，很大程度上是靠冷却技术的不断改进得以实现的，从空冷、氢冷发展到水冷，冷却技术的进步显著提高了电磁负荷强度和材料的利用率。

(3)农业机械是指在作物种植业和畜牧业生产过程中，以及农、畜产品初加工和处理过程中所使用的各种机械。农业机械包括农用动力机械、农田建设机械、土壤耕作机械、种植和施肥机械、植物保护机械、农田排灌机械、作物收获机械、农产品加工机械、畜牧业机械和农业运输机械等。各种机械的研发设计都离不开《工程热力学与传热学》这一门学科。

2、在机械高新技术领域中的应用

(1)航空航天领域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。

(2)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。在这一领域产生了各种新兴的机械，而这些机械的研发设计都离不开工程热力学与传热学。

(3)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。能源的短缺，促进各种耗能机械朝着节能或者新能源方向发展，每一类新能源的发现都促进某一类机械的出现迅速发展，而这些新能源机械的出现和发展都与传热学有着密切的联系。

(4)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l06w／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l05w／m2。

(5)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“非傅里叶导热”。这是在机械生产设备领域的又一个里程碑。又如钛及其合金的加工，由于钛及其合金阴传热率低，在其切削加工过程中，由切屑的塑性变形、切屑与刀具之间的滑动摩擦等产生热量，不能及时散发，而集中在刀具刀刃上，造成刀具寿命降低，加工质量差等，其实不仅仅是钛合金，像其他一些新材料都有不同的加工难题。因此正确选用加工条件，合理运用传热学的理论进行导热，显得极其重要，不仅可以提高切削加工速率，延长刀具和设备寿命，还可提高加工件的加工质量。

(6)军事领域里的机械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。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。

(7)各种材料的热处理，例如金属材料的锻造、铸造、淬火、退火、回火，还有一些工程塑料的注塑成型等都离不开温度的控制。机械零件的制造离不开以上的几种加工处理手段，而以上的加工方法离不开《工程热力学与传热学》。

参考文献：

[1]摘自戴锅生《传热学》【M】高等教育出版社，第二版 1998 P2-4