传热学论文.docx

机械工程学院-传热学节课论文传热学与机械制造天津工业大学机械工程学院 孟祥全 1331037008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。传热学是研究热量传递规律的一门学科，传热学与机械学科联系紧密1。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1 传热学1.1 传热学的概念通常被称为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，因后者只讨论在平衡状态下的系统。这些附加的定律是以3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，都是典型的传热学问2。1.2 传热学的形成与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和1915年努塞尔的因次分析，为从理论和实验上正确理解和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、电磁学和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、等离子体传热和数值计算传热等许多重要分支。现在，机械工程仍不断地向传热学提出大量新的课题。如浇铸和冷冻技术中的相变导热，切削加工中的接触热阻和喷射冷却，等离子工艺中带电粒子的传热特性，核工程中有限空间的自然对流，动力和化工机械中超临界区换热，小温差换热，两相流换热，复杂几何形状物体的换热，湍流换热等。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。1.3 传热方式传热的基本方式有热传导、热对流和热辐射三种。热传导是指在不涉及物质转移的情况下，热量从物体中温度较高的部位传递给相邻的温度较低的部位，或从高温物体传递给相接触的低温物体的过程，简称导热。热对流是指不同温度的流体各部分由相对运动引起的热量交换。工程上广泛遇到的对流换热，是指流体与其接触的固体壁面之间的换热过程，它是热传导和热对流综合作用的结果。影响对流换热强度的主要因素有流体流动的起因、流动状态、流体物性、流体物相变化、壁面的几何参数等。热辐射是指物体因自身具有温度而辐射出能量的现象。它是波长在0.1100微米之间的电磁辐射，因此与其他传热方式不同，热量可以在没有中间介质的真空中直接传递。太阳就是以辐射方式向地球传递巨大能量的。每一物体都具有与其绝对温度的四次方成比例的热辐射能力，也能吸收周围环境对它的辐射热。辐射和吸收所综合导致的热量转移称为辐射换热。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。1.4 应用领域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。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。本文将主要介绍其在机械行业的应用。2 传热学与机械制造传热学是研究热量传递规律的一门学科，而机械设计制造及使用的过程中与传热几乎是形影不离的，我们通过机械设备把其他形式的能量转化成我们需要的运动或者动力，但最终那些能量还是要变成热量散失到环境中去，当然少不了传热学中所讲的三种方式：对流换热、导热和辐射换热。通过对传热学这门课程的学习，了解了传热的基本知识和理论。发现传热学是一门基础学科，应用非常广泛，它会解决许许多多的实际问题，更是与机械制造这门学科息息相关。传热学是研究由温度差异引起的热量传递过程的科学。传热现象在我们的日常生活中司空见惯，早在人类文明之初，人们就学会了烧火取暖。随着工业革命的到来，蒸汽机、内燃机等热动力机械相继出现，传热研究更是得到了飞速的发展 被广泛地应用于工农业生产与人们的日常生活之中。当今世界，国与国之间的竞争是经济竞争而伴随着经济的高速发展，也带来了资源、人口与环境等重大国际问题，传热学在促进经薪发展和加强环境保护方面起着举足轻重的作用。20世纪以前，传热学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、电磁学和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、等离子体传热和数值计算传热等许多重要分支。现在，机械工程仍不断地向传热学提出大量新的课题。如浇铸和冷冻技术中的相变导热，切削加工中的接触热阻和喷射冷却，等离子工艺中带电粒子的传热特性，核工程中有限空间的自然对流，动力和化工机械中超临界区换热，小温差换热，两相流换热，复杂几何形状物体的换热，湍流换热等。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。传热学是研究热量传递规律的一门学科，生产部门存在的多种多样的热量传递问题，都可以用传热学来解决，这些部门包括能源、化工、冶金、建筑、机械制造、电子、制冷、航天航空、农业、环境保护等。随着传热学的理论体系日趋完善，内容不断充实，已经发展为现代科学技术中充满活力的一门重要技术基础学科。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。热对流是指不同温度的流体各部分由相对运动引起的热量交换。工程上广泛遇到的对流换热，是指流体与其接触的固体壁面之间的换热过程，它是热传导和热对流综合作用的结果。决定换热强度的主要因素是对流的运动情况。热辐射是指物体因自身具有温度而辐射出能量的现象。它是波长在0.1100微米之间的电磁辐射，因此与其他传热方式不同，热量可以在没有中间介质的真空中直接传递。太阳就是以辐射方式向地球传递巨大能量的。每一物体都具有与其绝对温度的四次方成比例的热辐射能力，也能吸收周围环境对它的辐射热。辐射和吸收所综合导致的热量转移称为辐射换热。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。2.1 传热学与机械以下将传热学在机械领域中的运用分为几个个方面进行介绍。2.1.1 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。2.1.2 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l06wm2，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l05wm2；(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。2.1.3 机械制造中的传热学应用在机械制造中，工件在制造工艺中的加热、冷却、熔化和凝固都与热量传递息息相关，传热学有着它特殊的重要性。工作温度场的测算和控制，不同工作条件、不同材料性质及几何形状对工件温度场变化的影响，工艺中缺陷的分析和防止，无不受到热量传递规律的制约，传热学在保证工艺实施、提高产品质量和产量等方面起着关键作用。现在，机械工程仍不断地向传热学提出大量新的课题。如浇铸和冷冻技术中的相变导热，切削加工中的接触热阻和喷射冷却，等离子工艺中带电粒子的传热特性，核工程中有限空间的自然对流，动力和化工机械中超临界区换热，小温差换热，两相流换热，复杂几何形状物体的换热，湍流换热等。随着科技的进步和发展，计算机的高端技术的应用，都为传热学的发展提供了广阔的前景。传热学是研究热量传递规律的一门学科，而机械设计制造及使用的过程中与传热几乎是形影不离的，我们通过机械设备把其他形式的能量转化成我们需要的运动或者动力，但最终那些能量还是要变成热量散失到环境中去，当然少不了传热学中所讲的三种方式：对流换热、导热和辐射换热。2.1.4 机械材料制备中与传热学关系密切机械材料制备中与传热学关系密切。从机械制造的毛坯开始，金属、非金属等等各种材料中没有那几种是可以直接拿过来用的，以应用最广泛的铸造来说，浇注过程中的温度控制和铸件冷却过程中的热量传递直接影响了铸件内部晶相组织的结构和相应的切削加工性能与使用性能，以及铸件的表面质量高低。然后是毛坯或者半成品的各种必需的热处理过程，热量传递的时间，空间分布，传热速率等等对工件的加工和使用性能以及寿命息息相关，如轴类零件表面淬火工艺，淬硬层影响零件的耐磨性，而内部组织又要保持原有组织的韧度，因而淬硬层的厚度直接影响了零件的综合性能。工件温度场的测算和控制，不同工作条件、不同材料性质及几何形状对工件温度场变化的影响，工艺中缺陷的分析和防止，无不受到热量传递规律的制约。2.1.5 机械加工过程中的散热问题也是限制制造业发展的重要因素。金属切削刀具的散热问题与刀具的强度决定了刀的使用寿命和被加工表面的质量与加工精度。金属切削加工时，材料弹性和塑形变形做的功以及前后刀面与工件表面的摩擦做功产生的热量都需要通过切屑、工件、刀具和周围介质散失到环境中，而切削刃的磨损情况与散热的快慢最为密切。当工件材料或者刀具材料的导热系数大时，切削区散热良好，刀具的磨损减轻，使用寿命较长，反之，刀具因温度过高发生组织性能转变，磨损加剧，因而需要使用不同的切削液来加快散热，延长刀具寿命。同时，刀具的散热影响了切削用量的选择，进而影响加工表面的质量，通过对刀具切削区温度场建立传热模型进行分析，可以更合理的设计刀具结构和选择切削量，从而提高零件的加工精度，这方面在超精密加工中显得尤为重要。2.1.6 机械设备使用中的传热问题机械设备使用中的传热问题也是不容忽视的。在机械结构中，摩擦做功产生的热量的散失是影响机械系统使用性能的主要来源，当系统由于温度过高导致零件产生膨胀变形，使尺寸精度降低，从而影响了零件之间的配合关系，在机床中则使系统精度降低，影响工件加工精度。在液压系统中传热问题更为显著。液压油在系统中与管路的摩擦产生的热量如果不及时散失，不仅使传动精度降低，液压油变质，严重者将使系统瘫痪，使设备存在安全隐患。传热学通过分析不同条件下物体中温度分布和热量传递规律，以及不同材料的传热特点，并在热加工工艺和系统设计中合理利用，在保证工艺实施，提高产品质量和产量等方面起着关键作用。2.1.7 传热学在金属切削方面的应用金属切削加工时，产生弹性和塑性变形而做功，同时，前刀面与后刀面之间的摩擦也要做功，这些功几乎都转变成热，与此相应，切削时共有三个生热区，即剪切面区、切屑与前刀面接触区、后刀面与加工表面接触区。所以切削热来源于切削时所消耗的变形功和刀具与切屑、刀具与工件间的摩擦功。 切削热可由切屑、工件、刀具和周围介质传导出去。影响热传导的主要因素是工件和刀具材料的导热系数及周围介质状况。目前，传热学知识在高速切削时切削温度的模拟仿真和测量方面应用广泛。例如，通过强化准则、流动准则、金属切削传热模型、接触类型等,并利用有限元的基本思想，建立切削应力场和温度场的有限元模型，进行状态非线性、材料非线性和几何非线性的热力耦合分析，基于大型有限元软件ANSYS平台，通过数值仿真技术，将切削过程的应力场和温度场精确而生动地模拟出来。在此基础上分析金属切削过程切屑的形成过程，从而得到了金属切削过程初始状态和稳定状态的应力场和温度