热工基础报告

热工基础在工业中的应用

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目录

一:热工基础的发展历史 (1)

1、热力学发展 (1)

2、传热学发展 (1)

二、工业中的应用概述 (3)

1、传热学在传统工业机械领域与农业机械领域中的应用 (3)

2、在机械高新技术领域中的应用 (3)

三、真空井式退火炉 (5)

型号简介 (5)

结构简介 (5)

一:热工基础的发展历史1

1、热力学发展

古代人类早就学会了取火与用火,不过后来才注意探究热、冷现象的实质。但直到17世纪末,人们还不能正确区分温度与热量这两个基本概念的本质。在当时流行的“热质说”统治下,人们误认为物体的温度高就是由于储存的“热质”数量多。1709～1714年华氏温标与1742～1745年摄氏温标的建立,才使测温有了公认的标准。随后又发展了量热技术,为科学地观测热现象提供了测试手段,使热学走上了近代实验科学的道路。

1798年,朗福德观察到用钻头钻炮筒时,消耗机械功的结果使钻头与筒身都升温。1799年,英国人戴维用两块冰相互摩擦致使表面融化,这显然无法由“热质说”得到解释。1842年,迈尔提出了能量守恒理论,认定热就是能的一种形式,可与机械能互相转化,并且从空气的定压比热容与定容比热容之差计算出热功当量。

英国物理学家焦耳于1840年建立电热当量的概念,1842年以后用不同方式实测了热功当量。1850年,焦耳的实验结果已使科学界彻底抛弃了“热质说”。公认能量守恒、能的形式可以互换的热力学第一定律为客观的自然规律。能量单位焦耳就就是以她的名字命名的。

热力学的形成与当时的生产实践迫切要求寻找合理的大型、高效热机有关。1824年,法国人卡诺提出著名的卡诺定理,指明工作在给定温度范围的热机所能达到的效率极限,这实质上已经建立起热力学第二定律。但受“热质说”的影响,她的证明方法还有错误。1848年,英国工程师开尔文根据卡诺定理制定了热力学温标。1850年与1851年,德国的克劳修斯与开尔文先后提出了热力学第二定律,并在此基础上重新证明了卡诺定理。

1850～1854年,克劳修斯根据卡诺定理提出并发展了熵的概念。热力学第一定律与第二定律的确认,对于两类“永动机”的不可能实现作出了科学的最后结论,正式形成了热现象的宏观理论热力学。同时也形成了“工程热力学”这门技术科学,它成为研究热机工作原理的理论基础,使内燃机、汽轮机、燃气轮机与喷气推进机等相继取得迅速进展。

与此同时,在应用热力学理论研究物质性质的过程中,还发展了热力学的数学理论,找到了反映物质各种性质的相应的热力学函数,研究了物质在相变、化学反应与溶液特性方面所遵循的各种规律。1906年,德国的能斯脱在观察低温现象与化学反应中发现热定理;1912年,这个定理被修改成热力学第三定律的表述形式。

二十世纪初以来,对超高压、超高温水蒸汽等物性,与极低温度的研究不断获得新成果。随着对能源问题的重视,人们对与节能有关的复合循环、新型的复合工质的研究发生了很大兴趣。

2、传热学发展

传热学作为学科形成于19世纪。在热对流方面,英国科学家牛顿于1701年在估算烧红铁棒的温度时,提出了被后人称为牛顿冷却定律的数学表达式,不过它并没有揭示出对流换热的机理。

对流换热的真正发展就是19世纪末叶以后的事情。1904年德国物理学家普朗特的边界层理论与1915年努塞尔的因次分析,为从理论与实验上正确理解与定量研究对流换热奠定了基础。1929年,施密特指出了传质与传热的类同之处。在热传导方面,法国物理学家毕奥于1804年得出的平壁导热实验结果就是导热定律的最早表述。稍后,法国的傅里叶运用数理方法,更准确地把它表述为后来称为傅里叶定律的微分形式。

热辐射方面的理论比较复杂。1860年,基尔霍夫通过人造空腔模拟绝对黑体,论证了在相同温度下以黑体的辐射率(黑度)为最大,并指出物体的辐射率与同温度下该物体的吸收率相等,被后人称为基尔霍夫定律。

1878年,斯忒藩由实验发现辐射率与绝对温度四次方成正比的事实,1884年又为玻耳兹曼在理论上所证明,称为斯忒藩-玻耳兹曼定律,俗称四次方定律。1900年,普朗克在研究空腔黑体辐射时,得出了普朗克热辐射定律。这个定律不仅描述了黑体辐射与温度、频率的关系,还论证了维恩提出的黑体能量分布的位移定律。

20世纪以前,传热学就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、电磁学与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、等离子体传热与数值计算传热等许多重要分支。

二、工业中的应用概述

1、传热学在传统工业机械领域与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。在精密机械与精密仪器的制造与使用过程中,热应力与热变形量的预测、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,元器件的有效冷却与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、定子绕组与定子铁心的冷却就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,很大程度上就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与材料的利用率。

(3) 农业机械就是指在作物种植业与畜牧业生产过程中,以及农、畜产品初加工与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、种植与施肥机械、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、畜牧业机械与农业运输机械等。各种机械的研发设计都离不开《热工基础》(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) 航空航天领域就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。据美国航空与宇宙航行局(NASA)所作的技术分析,美国航天飞机的技术关键只有一个半,这半个就是大推力的液氢—液氧火箭发动机(其中自然与传热有密切的关系),而那一个关键则就是所谓“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) 生物传热学就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与令人鼓舞的应用前景。它就是由生物学、临床医学与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与研究方法、手段引入到生物与医学工程领域中,探讨物质与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、石油与天然气)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(包括海洋温差与波浪能)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与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