传热学 传热学与应用发展.doc

传热学与应用发展 摘 要：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。传热学虽然从诞生至今不过二百多年的时间，但其应用已非常广泛。随着热量传递理论体系的日趋完善、内容的不断充实，传热学已经成为现代技术科学中充满活力的主要基础学科之一。传热学的普适性不仅表现为在能源动力、石油、冶金、化工、交通、建筑建材、机械、食品、轻工、纺织、医药等传统工业部门中，而且传热学的理论和技术在生产、科学研究等领域也得到了广泛的应用。传热学理论的应用解决了决定这些部门生产过程的热工艺技术，对一些关键技术的解决起了重要的甚至是决定性的作用。关键词：传热，热采技术，传热技术， 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)。 热量在温度差作用下从一个物体传递至另外一个物体，或者在同一物体的各个部分之间进行传递的过程称为传热。将传热进行分类的一个基本原则是按照热量传递的不同机理，即热量以何种方式或何种运动形式进行传递。经过大量归纳总结，人们发现按传热的不同机理，可将传热划分成三种基本方式：热传导、热对流和热辐射。当物体内有温度差或两个不同温度的物体接触时，在物体各部分之间不发生相对位移的情况下，物质微粒（分子、原子或自由电子）的热运动传递了热量，这种现象被称为热传导，简称导热。流体中，温度不同的各部分之间发生相对位移时所引起的热量传递过程叫热对流。流体各部分之间由于密度差而引起的相对运动称为自然对流；而由于机械（泵或风机等）的作用或其它压差而引起的相对运动称为强迫对流（或受迫对流）。物体通过电磁波传递能量的过程称为辐射。物体会因各种原因发出辐射能。由于热的原因，物体的内能转化成电磁波的能量而进行的辐射过程称为热辐射【1】。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。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【2】。 在化学和石油化学工业领域内，使用着大量各式各样的传热和传质设备。从一定意义上说，该领域是换热设备门类最齐全、形式最多的一个行业。许多化工工艺流程中都包含各种加热器和冷却塔，还有一些化学反应本身就是生热或吸热过程。在稠油的“热采”，原油的炼制和油品的远距离输送以及化纤、化肥的生产工艺中，传热都是非常关键的因素。因为油自身物理性质的关系，它的对流换热表面传热系数往往比较低，所以强化油侧的对流换热具有非常大的经济效益。化工传热过程往往具有如下一些基本特点：(1)参与换热的介质成分多而复杂，一般都在三四种以上；(2)常常与传质过程结合在一起；(3)经常涉及多相流(汽液、气固、液固，甚至汽液固三相)和非牛顿流体。热力采油技术主要用于稠油油藏的开发。热力采油的主要方法是向油层注入高温蒸汽，此外还有热水驱、火烧油层等。注蒸汽开采稠油有两种方法。第一种方法是蒸汽吞吐，先向生产井注入一定量的蒸汽，然后关井数日，焖井后开井排液生产。第二种是蒸汽驱，它与水驱类似，只不过驱替流体是蒸汽，其采收率较高【3】。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【4】。热力设备、热机及其组成的热力系统是热能生产和利用的主要环节 ,这些环节的优劣直接影响能源的利用效率。传热学在节能中的应用十分广泛并起着重要作用。 一、强化传热技术强化传热技术是六十年代发展起来的一种先进技术。强化传热器件是一种节能的高效传热器件。换热器的传热量可表示为：Q=KFt当传热量Q一定时，对于一定的传热温差t，提高传热系数K，则可收到减少换热面积F的效果。强化传热技术是利用各种型式的翅片管多孔表面管 、表面粗糙化管 、螺旋槽管 、管内插件等换热器件或在流动介质中附加电场、磁场 、超声波、机械振动、添加剂等辅助设施，促使流过换热器件的介质产生湍流减薄边界热阻强化换热面的作用，从而达到有效传递热量的目的。二、相变传热技术利用蒸气循环的发电系统，有60%的热能不断排放，电站冷却用水数量庞大。这不仅造成了能源的浪费，而且给缺水地区及矿口的电力生产带来很大困难。直接空冷电站不适应机组向大容量的发展水循环间接空冷电站热效率较低，这就限制了空冷电站的发展。相变传热技术的发展为间接空冷电站提供了节约用水、回收废热、提高效率、降低电力生产成本的氨循环相变冷却系统。这种电站冷却系统，利用廉价的氨作为冷却介质，在蒸气冷凝器再沸器中氨吸收汽机排汽的潜热沸腾相变，饱和氨汽经输汽管进人空冷塔在空气冷凝器管内凝结并排放电站废热，最后由回农管返回蒸气冷凝器 再沸器完成相变循环。这种冷却系统，传热在等温状态下进行，由于蒸气在较低的温度下凝结，因而大大提高了蒸气的循环效率。三 、高温传热技术目前，一种先进的工业沪设计是利用多孔板吸收高温工作气体的焓，并发射辐射热能从而达到回收余热、节约能原的目的。这种能量转换形式和高温传热技术适用于冶金、陶瓷、玻璃工业等高温传热装置中。燃耗可降低60%。在这种系统中，由于多孔板的“表面加热”作用，所以炉膛体积大大减小，工件得到均匀加热，排烟温度大幅度降低。四、 直接换热技术利用熔盐微粒相变的潜热储存和释放能量直接接触换热则是一种能量传递的新形式、节约能源的新技术。盐粒和气体反向流动的直接接触换热包括两个过程：一是储存废热；二是利用废热。如钢铁厂、玻璃厂、水泥厂或流态化床燃烧的高温气体通过直接接触式热交换器把热量传递给盐的固态微粒，盐粒吸收潜热而熔化并把这部分热能储存起来。熔盐液滴再通过直接接触式热交换器把储存的能量释放给与它接触的低温气体，低温气体被加热后就可加以利用。五 、高温部件冷却技术燃气轮机进口温度是影响发动机性能的一个重要循环参数。一台推力为3500公斤的喷气发动机，将涡轮进口温度从1200 提高到1350,其推重比就可提高15%，耗油率降低8%。提高涡轮进口温度依靠发展耐高温材料、耐高温涂层技术和发展冷却技术两方面的努力来实现。研究和发展冷却技术所用的成本仅是研究和发展耐高温合金材料的1/4，而使涡轮进口温度的提高却为改进合金材料的两倍。利用高温涡轮叶片外部气膜保护性冷却、内部撞击冷却、加肋或扰流柱的强化对流冷却以及上述形式的复合冷却，是一种有效的高温涡轮【5】。传热学与生产实践联系十分紧密，在国际上它是一门非常活跃的技术基础学科，每年都会召开各种专题学术会议，在国内似乎未得到足够重视。传热学应该在发展节能技术和开发新能源发挥重要作用。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