传热学研究新领域汇总

航空航天：在航空航天领域，航天飞机表面材料要求 绝热良好；卫星上装有的太阳能吸收装置能提供卫星 工作所需的部分能量。
生物医学：传热学广泛应用于 激光手术、移植器官冷冻储存、 疾病热诊断等技术中。
计算机领域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。传热学的应用加强了芯片的散 热。
我们有理由相信在不久的将来传热学这门学科将会渗透 到我们生活中的各个领域，并在某些关键技术环节起到至 关重要的作用。
感谢聆听
材料分类 (1)碲化铋及其合金：这是被广为使用于热 电致冷器的材料，其最佳运作温度<450℃。 (2)碲化铅及其合金：这是被广为使用于热 电产生器的材料，其最佳运作温度大约为 1000℃。 (3)硅锗合金：此类材料亦常应用于热电产 生器,其最佳运作温度大约为1300℃。
与信息科学的交叉-纳米计算机
模冷技术-熔体旋 转法
熔体旋转法工作原理如 右图所示。
熔体旋转工艺的发展： 双辊熔体旋转法； 真空熔体旋转法； 离心熔体旋转法； 旋转翼急冷淬火法。
工艺适用性：适用于中 等活性或者是不易氧化 的金属。
与材料科学的交叉-热电材料
概念：热电材料是一种能将热能和电 能相互转换的功能材料，1823年发现 的塞贝克效应和1834年发现的帕尔帖 效应为热电能量转换器和热电制冷的 应用提供了理论依据。
二、非平衡传递过程——传 热学研究的新领域
傅里叶效应
传统的经典传热即在稳态且时间无限长或 非稳态热传播速度较快时满足傅里叶定律， 其中隐含的条件就是热传播速度无限大的 假设。
非傅里叶效应
但是当介质在非稳态传热时遇到极端高低温条 件以及微时间或空间传热时，将不再满足传统的 傅里叶定律，原因就是此时的传热时间不能忽略 不计了，因此出现了非傅里叶效应。它在很多工 程领域可以用到，比如核反应堆及高温熔融材料 泄漏的紧急处理、强激光武器反射镜的温控、造 纸工业的脉冲干燥等。
能源与环境问题面临着新的挑战，传热作为能源 动力系统的基本过程之一，传热部件性能的优劣 直接影响系统效率、安全性及可靠性。因此，国 际学术前沿将传热学与其他学科进行交叉融合。 同时，机械工程仍不断地向传热学提出大量新的 课题。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。
采用向心透平、离心式压气机 以及回热循环,具有高效率、低、 和未燃尽的碳氢化合物排放、 体积小、重量轻、适用燃料范 围广。
五、结论
传热学与一些学科相互渗透形成许多重要分支。随着 我国能源工业的快速发展，传热学在能源领域起到越来越 重要的作用，比如在医疗卫生领域中的红外测温技术、光 热领域中的太阳能光热复合系统、纳米能源领域中的微型 发电机等，正朝着集成化、多元化、微型化方向迈进。
太阳能、地热能、海洋能、氢燃料电池、 磁流体发电乃至可控核聚变为代表的新能 源等的开发和利用与传热学有着密切的联 系。
太阳能热泵复合热水系统
太阳能子系统主要由太阳能集热器、恒温水箱、 集热水箱、集热循环泵、供水泵、集热管路部分、 供水管路部分、控制系统等构成。其中控制系统 一般是由传感器部分、控制器部分和执行设备组 成。热泵子系统主要由压缩机、套管式换热器、 膨胀阀和蒸发器等组成。
与信息科学的交叉-纳米计算机
概念： 微型换热器，微型换热器及微型散热器是体 积小、单位体积换热面积大的一种超紧凑式 换热器，与普通换热器相比，微型换热器的 主要特点 在于单位体积 内的换 热面积很 大，相应地，其单位体积传热系数高达几十 到几百MW／(3mK)，比普通换热器要高 1—2 个数量级。
④ 外，几乎没有任何其他
的有害排放物
高效率、无污染、建设 周期短、易维护 应用范围极广 是汽车最有前途的替代 清洁能源 适合提供移动、分散电 源和接近终端用户的电 力供给
能量转换装置
不需要转换为热能这一
①
中间过程
③
能量转换效率不受卡诺
循环的限制
理论效率可达80%-90%
以上
发电装置
⑤ 燃料和氧化剂贮存在电
概念： 微型发动机，纳米发动机从各角度 来量都不超过1微米，很适合在人体 细胞内工作。
应用： 纳米发动机是第一款能控制药物释 放的机器，这有助于促进药物递送、 细胞间通讯的研究。此外，纳米发 动机有望进入纳米电子机械系统 (NEMS)领域，将机械控制与化学传 感整合在一起，开发能效更高、物 美价廉的微机设备。
生物工程的多尺度热效应 纳 米：分子与磁性颗粒 5-100nm 微 米：细胞 5-20μm 宏观:肿瘤等 ＞20mm 癌症的冷热交替疗法
纳米药物与热分子马达 当药物颗粒＜100mm时，可提高靶效率 用热分子驱动马达（10nm）驱动蛋白，血管清道夫将纳米颗粒 绑在DNA的特定部位，用电磁场控制其局部温度和生殖过程
池外部 与环境既有能量交换又 有物质交换 工作时需要不断的向电 池内输入燃料和氧化剂 并同时排出反应产物
PART 2
微型燃气轮机
微型燃气轮机
将一个完整的发电装置集成到 一个毫升级立方厘米级的体积 内，系统外形尺寸为厘米级,关 键部件的特征尺寸为毫米级。 为未来野外工作人员提供长时 间供能,代替锂离子电池。
的冷却就是典型的对流传热问题。水利工程 中已经研制了针对大型混凝土工程的热应力 分析专用软件。多孔介质，多扎体材料中的 热、质传递规律是当今传热学研究的热门课 题之—
第四代反应堆的熔盐堆
熔盐堆的基本原理为堆芯使用Li、Be、 Na、Zr等的氟化盐以及溶解的U、Pu、Th 的氟化物熔融混合作为燃料，在 600~700℃和低压条件形成熔盐流直接进 入热交换器进行热量交换。其中，LiF、 NaF、BeF2、ZrF4为载体盐，提供熔融载 体并改善共熔体的物理化学性质; UF4和 PuF3为裂变燃料，产生热量和中子;ThF4 和UF4为增殖燃料，吸收中子产生新的裂 变燃料U或Pu，在线萃取处理后重新进入 反应循环。一座熔盐反应堆生产的燃料 在运行几年以后还可以重新再装备一座 新的反应堆，具有极高的经济性。同时 由于燃料的直接热交换方式使其具备可 以小型化的优势，从而具有为舰船和航 空器上提供动力的光明前景。
与生物医学的其他交叉 活体保存与移植 生物质材料干燥与超临界萃取 环境污染与人体健康
与材料科学的交叉-金属快速凝固法
模冷技术-“枪法”
枪法工作原理如右图所示。
枪法-由于熔滴的速度很高，像子弹 一样，所以被称为枪法。 工艺适用性：适用于中性或不易氧 化金属的快速凝固。
模冷技术-双活塞法
双活塞法工作原理如右图所 示。 小于1g的母合金在感应器1中 加热融化，熔滴2下落；当熔 滴2挡住光电管的光束时，光 点线路启动纯铜双活塞相对运 动的驱动装置，使活塞迅速收 合，挤压熔滴，使之凝固成薄 片。
微纳米传热
微纳米传热与流动的尺度效应
表现为：
连续流动假设不再成立，N-S方程和傅 里叶定律被打破
支配力变化，面体比非常大，表面影 响变得非常重要
尺度效应导致：
Nu~Gr1/4变为Nu~Gr1/3
微管长比径很大，在相同的Re时，M数增 大，流动不能完全发展，Nu大大增加
表面粗糙影响大大增加
衡区。 用128个CPU处理器进行106个氩分子流体气泡成核过
程的大型并行计算 首次揭示了均质核沸腾中，气泡是由过热液体中密 度涨落形成的低密度气核逐渐生长形成的。
微尺度热输运 自激震荡流热管
微型热驱动
三 传热学与其他学科的交叉与融合
微尺度医学工程
揭示了温度对生命活动的作用规律以及其他物理因素（电、磁、声、光）对 热的协同作用。
用作小型备用电源、机动电源 或辅助电源,或作灾难或事故的 应急备用电源。 应用于城市,也适应于边远、沙 漠、矿山、海岛或其它需要的 地方。
为微型飞行器提供动力,还可为 微电子机械系统或其他在野外 及特殊场合工作的电子设备供 电。 结构简单、安装简便、燃料适 应性强、环保性好、使用灵活、 启动快速、维护费用低。
MD的基本步骤
前期处理：确定初始位置、速度和边界
根据分子间作用的势能函数和系统外加约束， 求解分子间的牛顿运动方程，计算分子间作用 力、速度、位置及其随时间演进的微观过程
统计计算系统的宏观参数：动能、内能、温度、 压力等
大规模MD计算
用8000~16000个分子进行蒸发与凝结过程的MD计算 发现在较低温度下在边界附近存在局域热力学非平
传热学研究中的某些前沿问题 Some Adevances in Heat Transfer
数理学院 可再生能源科学与工程
内容提纲
一 当前传热学发展的重要趋势 二 非平衡传递过程——传热学研究的新领域 三 传热学与其他学科的交叉与融合 四 先进能源系统中的传热新课题 五 结束语
一、当前传热学发展的重要趋势
在微尺度条件下对温度的测量也是现代科学比较关注的 话题，传统的测温方法是通过接触测量，例如热电偶和 热电阻，但对于微小物体的测量通过施加接触热阻以后 会明显改变物体的温度分布，影响测量的精准度。采用 非接触测温技术，如利用红外成像仪来测量微管外壁热 量，可以解决以上问题。
红外成像仪
红外成像仪
红外成像仪是利用被测物体表面所发出红外线的 强度来感知被测物体温度大小的。红外成像仪感 受物体发出红外线的强弱除受到其表面温度影响 外，还受到物体的表面材质、表面状况、被测物 体大小、镜头离物体距离等因素的影响。
四、先进能源系统中的传热新 课题
能否实现能源可持续发展的一 个关键因素是可持续能源的综 合利用和合理开发，以下介绍
2个新课题。
PART 1
燃料电池
燃料电池
新型的高效、洁净的新 能源技术 国际能源领域的研究与 开发热点 21世纪首选的清洁、高
② 效的发电技术
解决环境污染和节约能 源的有效途径
热效率高、噪音低、污 染小 可以在带部分负荷运行 的情况下进行维修 除排放低比率碳氧化物
Байду номын сангаас
非傅里叶效应 非傅里叶定律：
要满足修正项 大，必须满足：
1. 松弛时间τ 大。多孔材料和生物质材料τ要长很多；
在低温下τ将延长。 2. 要高，即在微时间尺度和高热流作用下更容易产生
非傅里叶效应
非傅里叶导热现象
表面遭受温度突变时球体内无量纲温度随无量纲时间的变化（松弛 时间）
红外测温技术的研究
传热学是一门研究由于有温度差异而引起的能 量传递过程的规律及其具体应用的学科。
传热有三种在本质上互不相同的基本方式:热 传导(导热)、热对流和热辐射。
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。
大型发电机的转子、定子绕组和定子铁心
应用： 微型换热器在微电子、航空航天、医疗、化 学生物工程、材料科学、高温超导体的冷却、 薄膜沉积中的热控制、强激光镜的冷却，以 及其他一些对换热设备的尺寸和重量有特殊 要求的场合中有重要的应用前景。
与信息科学的交叉-纳米计算机
概念： 微型反应器又被称为微型加氢反应器， 微型磁力高压反应器。具有耐高温、耐 腐蚀、生产能力强等优点，它适用于进 行化学反应时，需要同时测定温度，添 加惰性气体,压力，PH值， 电导，氧化 还原电位的精密化学反应的实验，适用 于进行化学反应时，需要同时测定温度， 添加惰性气体,压力，PH值， 电导，氧 化还原电位的精密化学反应的实验。 应用： 微型反应器，广泛用于医药、饮料、化 工、颜料、树脂、科研等工业部门。
分子模拟
从分子——原子水平模拟对象的微观状态与宏观性质
MC(Monte Carlo)方法
通过实现与某种特定概率相一致的系统位形的随机变化， 经统计计算求得系统的热力学和理化参量，具有随机性， 适用于计算状态量。 MD（Molecular Dynamics)方法 通过求解受分子间力和外加系统作用的分子牛顿运动方 程，计算系统中分子的时间演进量，具有确定性，适用 于计算输运量。