传热学论文(作业)

传 热 学 与 应 用 发 展 学 院：化学与制药工程学 院 姓 名：赵贤园 学 号：201004031063 年 级：化工 10-2 传热学与应用发展 摘要:本文先从传热学得基本概念出发，阐述什么是传热学、传热的研究对 象、方法、传热三种的基本方式。在了解充分了解传热学后，介绍生活中和传 热有关的有趣现象，传热学的应用广泛，几乎渗透到所有行业，包括建筑、工 业、环境等各个部门。传热学是一门还在不断发展的学科，随着热量传递理论 的日趋完善，内容不断充实，传热学已经成为现代科学技术中最具活力的重要 基础学科之一。 关键词：传热学 应用 发展 一、什么是传热 热和冷是人们熟知的一对矛盾过程，凡是有温度差存在的地方，就有热量 自发地从温度较高的区域或物体传递到温度较低的区域或物体，这样热量（能 量）传递的过程成为传热， “传热学”是一门研究由于温度差引起的能量传递过 程规律及具体应用的学科，也包括热量传递同时可能出现形式之间转化的更复 杂的过程( 如：高速气流对固体表面的“气动加热”效应、电机的通电发热等)。 二、传热学的研究对象 不同科学技术领域需要解决的传热问题很不相同。例如，热工和化工技术 人员在评价锅炉、换热器和化学反应设备大小、能力、技术经济指标时，必须 进行详尽的传热分析，比如加热、蒸发、冷却，一些高温下的工作部件（汽轮 机叶片和燃烧室壁等）能不能再设计工况下长期稳定运行，不仅取决于材料结 构的冷却性能是否可靠，还需重视热应力引起的形变等研究。许多新兴技术装 备，例如原子反应堆堆芯、大功率火箭喷管、精密电子器件等等，需要设计成 功，就必须严格控制传热情况，维持合理的工作温度以保障各个部件可靠工作； 气象科学家需要研究地面（包括江河湖泊）与天空之间的传热过程，以取得准 确的天气预报所需的资料；建筑部门会遇到建筑空调的设计中需要计算建筑维 护结构的热(冷 )负荷，需知道其热（冷）负荷的大小，才能采取相应的措施， 供给一定的冷量或热量，以满足室内湿、温度的要求，热力管道的热量损失， 燃气燃烧时的火焰辐射，大型混凝土浇灌过程中出现热应力等技术问题。 三、传热学得研究方法 把形形色色的实际传热过程解剖为导热、对流换热和热辐射这三种基本方 式之间的并联、串接或更复杂的具体组合来处理。和其他技术科学一样，需要 作出适当的假定和理想化条件，要完全确切地描写实际现象的一切方面是不可 能的，因此去除某些次要方面，作近似化处理，是基本问题解决而又保证其准 确性，例如：传热介质常被看作是连续性介质，它的热舞性参数在数值上往往 随温度改变，选择适宜的平均值取作常量，使计算大为简化，当然解决实际工 程技术问题时，需要从事设计和运行改进的科技人员具有一定的工作经验和细 致考虑问题的能力。 四、传热的基本方式 1）导热：从宏观的现象看，是因物体直接接触，能量从高温部分传递到低 温部分，中间没有明显的物质迁移。 导热基本定律是由法国物理学家傅里叶于 1822 年通过实验经验的提炼、运 用数学方法演绎得出，也称傅里叶定律： dTAx 2）热对流 热对流是指由于流体的宏观运动使物体不同的流体相对位移而产生的热量 传递现象。特点：只能发生在流体中；必然伴随有微观粒子热运动产生的导热。 对流换热是指流体与固体表面之间的热量传递。热对流换热的基本定律是英国 科学家牛顿（Newton ）于 1701 年提出的牛顿冷却定律： 流体被加热时， ()wfhAT 流体被冷却时， ()fwhT 3）热辐射 热辐射：由于物体内部微观粒子的热运动（或者说由于物体自身的温度） 而使物体向外发射辐射能的现象。 在热量传递方式上，热辐射与热传导和热对 流相比具有许多固有的特点：热辐射无需物体直接接触，可以在无中间介质的 真空中传递，并且 真空度越高，热辐射传递效果越好。在传递过程中伴随着能 量形式的转换，即发射时将热能转换为辐射能，而被吸收时又将辐射能转换为 热能。任何热力学温度大于零的物体都不停地向空间发出热辐射。 热辐射基本定律： 计算黑体表面单位时间内所发出的热辐射能量，可以按照斯特藩-波尔兹曼 定律： 4AT 五、生活中的传热学 现象一：冬天，在相同的室外温度条件下，人们有风比无风时感到更冷些 回答：假定人体表面温度相同时，人体的散热在有风时相当于强制对流换 热，而在无风时属自然对流换热（不考虑热辐射或假定辐射换热量相同时） 。而 空气的强制对流换热强度要比自然对流强烈。因而在有风时从人体带走的热量 更多，所以感到更冷一些。 （人对冷暖感觉的衡量指标是散热量的大小而不是温 度的高低，即当人体散热量低时感到热，散热量高时感到冷，经验告诉我们， 当人的皮肤散热热流为 58W/时感到热，为 232W/时感到舒服，为 696W/ 时感到凉快，而大于为 928W/时感到冷。 ） 现象二：窗玻璃对红外线几乎不透明，但隔着玻璃晒太阳却使人感到暖和 回答：窗玻璃对红外线不透明，但对可见光却是透明的，因而隔着玻璃晒 太阳，太阳光可以穿过玻璃进入室内，而室内物体发出的红外线却被阻隔在窗 内，因而房间内温度越来越高，因而感到暖和。 现象三： 冬天，经过在白天太阳底下晒过的棉被，晚上盖起来为什么感 到很暖和？并且经过拍打以后，为什么效果更加明显？ 回答：棉被经过晾晒以后，可使棉花的空隙里进入更多的空气。而空气在 狭小的棉絮空间里的热量传递方式主要是导热，由于空气的导热系数较小，具 有良好的保温性能。而经过拍打的棉被可以让更多的空气进入，因而效果更明 显。 六、应用及进展 对传热问题进行归纳，主要有两种：一类着眼于传热速率的大小及其控制 问题，增强传热以缩小设备尺寸、提高生产能力，或者削弱传热以避免热损失、 保持设备内部低于环境温度；另一类则着眼于温度分布及其控制问题，如热成 像，高级材料加工表面以秒甚至毫秒控制骤冷和骤热。无论是在传统工业农业， 还是各类高新技术当中，传热学都有着极为广泛的应用。 （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）无论强电或弱电，元器件的有效冷却和设备的更新换代(提高质量并 大幅度地缩小体积)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）在建筑施工领域，传热学也有着广泛的应用，如水利工程中的大坝要 耗费成百上千万吨的水泥，而水泥浇注后的固化过程是一个生热过程，掌握并 控制水泥浇注时的温度以及随后固化过程中温度的变化，对消除坝体内的热应 力，减少甚至消灭内部裂纹，对保证工程质量和大坝的长期安全有极其重要的 意义。 （4）在农业领域里，就目前水平而言，自然光照和气象条件仍然在很大程 度上左右着农作物的收成，而天气状况与传热的关系是非常大的。除气象条件 以外，对农作物影响最大的因素莫过于水和肥，它们均通过土壤被作物吸收。 土壤是一种典型的多孔介质，多孔体材料中的热、质传递规律是当今传热学研 究的热门课题之。 （5）在航空航天领域中，传热学可谓功不可没，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航空发动机主轴承是滑油系统进行冷却和润滑的关 键部件,由于主轴承自身的发热量较高,其换热边界条件的准确确定和加载决定了 主轴承热分析的分析精度，对航空发动机主推力球轴承热分析中边界条件的处 理方法进行研究。 ，而那一个关键则是所谓“热防护系统”(TPS)，在发射回收 宇航飞行器时要克服进入大气层由于高速气动加热形成的“热障” ，必须寻求强 有力的保护性冷却方式，追求利用温控涂层的合理烧蚀深度，这种传热不尽设 计到表面融化和蒸发气化，同时还有不同组分的物质进行迁移，是复杂的传热 过程。 （6）随着电子封装技术向着高密度、高性能、小型化和低成本的方向发展,振 动与热引起的可靠性问题日益成为人们研究的重点，建立了振动与热传导的三 维有限元模型,分析了结构在正弦激励与热循环载荷作用下的应力应变分布情况; 研究结果表明,电子封装结构中最危险的部位始终位于离电路板中心最远的焊点 上;在热循环载荷作用时，裂纹最早产生于危险焊点上离基板较近的体积平均层 上；与电路板的厚度相比，基板的厚度及盖板的存在情况对焊点的热疲劳寿命 影响较大。温度场分析可为电子封装结构的设计工作提供重要理论参考。 (7) 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。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。可见，用途非常之广。 传热学在国际上是一门非常活跃的基础学科，每年都会召开各种专题学术 会议，随着研究的不断深入，其研究范围已超越传统的工业技术领域，开始出 现“燃烧传热学” 、 “环境传热学” 、 “生物（医学）传热学”等新的分支学科， 与之同时各种新型的传热技术也在被不断发展研究中，例如“强化传热技术” 、 “相变传热技术” 、 “高温传热技术” 、 “直接换热技术” 、 “高温部件冷却技术” ，在现 代工业、建筑中发挥着不可磨灭的作用，在科学发展中充当重要角色。 研究传热学具有重大意义及作用，其在发展节能技术和开放新能源（包括核电站建设） 中发挥重要作用，可以为材料工业中进行工艺改进和开发