工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)課程總結(jié)與體會(huì)

1、工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)題目：工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)課程總結(jié)與體會(huì)院系：水利建筑工程學(xué)院給排水科學(xué)與工程班級(jí)：給排水科學(xué)與工程一班姓名：張琦文指導(dǎo)老師：姚雪東日期:2016年 5月 1日認(rèn)識(shí)看法地位作用存在問題解決措施未來發(fā)展展望傳熱學(xué)在高新技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用摘要 : 熱傳遞現(xiàn)象無時(shí)無處不在 【2】它的影響幾乎遍及現(xiàn)代 所有的工業(yè)部門【 1】也滲透到農(nóng)業(yè)、林業(yè)等許多技術(shù)部門 中。本文介紹了航空航天、核能、微電子、材料、生物醫(yī)學(xué) 工程、環(huán)境工程、新能源以及農(nóng)業(yè)工程等諸多高新技術(shù)領(lǐng)域 在不同程度上應(yīng)用傳熱研究的最新成果。 可以說除了極個(gè) 別的情況以外 ,很難發(fā)現(xiàn)一個(gè)行業(yè)、 部門或者工業(yè)過程和傳熱 完全沒有任何

2、關(guān)系。不僅傳統(tǒng)工業(yè)領(lǐng)域 ,像能源動(dòng)力、冶金、 化工、交通、建筑建材、機(jī)械以及食品、輕工、紡織、醫(yī)藥 等要用到許多傳熱學(xué)的有關(guān)知識(shí)【 1】而且諸如航空航天、 核能、微電子、材料、生物醫(yī)學(xué)工程、環(huán)境工程、新能源以 及農(nóng)業(yè)工程等很多高新技術(shù)領(lǐng)域也都在不同程度上有賴于 應(yīng)用傳熱研究的最新成果 ,并涌現(xiàn)出像相變與多相流傳熱、 （超）低溫傳熱、微尺度傳熱、生物傳熱等許多交叉分支學(xué)科。 在某些環(huán)節(jié)上 ,傳熱技術(shù)及相關(guān)材料設(shè)備的研制開發(fā)甚至成 為整個(gè)系統(tǒng)成敗的關(guān)鍵因素。前言：通過對(duì)傳熱學(xué)這門課程的學(xué)習(xí) ,了解了傳熱的基本知識(shí) 和理論。 發(fā)現(xiàn)傳熱學(xué)是一門基礎(chǔ)學(xué)科應(yīng)用非常廣泛,它會(huì)解決許許多多的實(shí)際問題更是與機(jī)械

3、制造這門學(xué)科息息相關(guān)。傳 熱學(xué)是研究由溫度差異引起的熱量傳遞過程的科學(xué)。傳熱現(xiàn) 象在我們的日常生活中司空見慣。早在人類文明之初人們就 學(xué)會(huì)了燒火取暖。隨著工業(yè)革命的到來，蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等 熱動(dòng)力機(jī)械相繼出現(xiàn)，傳熱研究更是得到了飛速的發(fā)展，被 廣泛地應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)與人們的日常生活之中。當(dāng)今世界 國(guó)與國(guó)之間的競(jìng)爭(zhēng)是經(jīng)濟(jì)競(jìng)爭(zhēng)，而伴隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展也 帶來了資源、人口與環(huán)境等重大國(guó)際問題。傳熱學(xué)在促進(jìn)經(jīng) 薪發(fā)展和加強(qiáng)環(huán)境保護(hù)方面起著舉足輕重的作用。 20 世紀(jì) 以前傳熱學(xué)是作為物理熱學(xué)的一部分而逐步發(fā)展起來的。 20 世紀(jì)以后，傳熱學(xué)作為一門獨(dú)立的技術(shù)學(xué)科獲得迅速發(fā)展， 越來越多地與熱力學(xué)、流體力

4、學(xué)、燃燒學(xué)、電磁學(xué)和機(jī)械工 程學(xué)等一些學(xué)科相互滲透， 形成多相傳熱、 非牛頓流體傳熱、 燃燒傳熱、等離子體傳熱和數(shù)值計(jì)算傳熱等許多重要分支。 現(xiàn)在，機(jī)械工程仍不斷地向傳熱學(xué)提出大量新的課題。如澆 鑄和冷凍技術(shù)中的相變導(dǎo)熱，切削加工中的接觸熱阻和噴射 冷卻，等離子工藝中帶電粒子的傳熱特性。核工程中有限空 間的自然對(duì)流，動(dòng)力和化工機(jī)械中超臨界區(qū)換熱，小溫差換 熱，兩相流換熱，復(fù)雜幾何形狀物體的換熱湍流換熱等。隨 著激光等新的實(shí)驗(yàn)技術(shù)的引入和計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，為傳熱學(xué)的 發(fā)展提供了廣闊前景。傳熱學(xué)是研究熱量傳遞規(guī)律的一門學(xué)科，生產(chǎn)部門存在 的多種多樣的熱量傳遞問題都可以用傳熱學(xué)來解決，這些部 門包括能源

5、、化工、冶金、建筑、機(jī)械制造、電子、制冷、航天航空、農(nóng)業(yè)、環(huán)境保護(hù)等。隨著傳熱學(xué)的理論體系日趨 完善，內(nèi)容不斷充實(shí)，已經(jīng)發(fā)展為現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)中充滿活力 的一門重要技術(shù)基礎(chǔ)學(xué)科。傳熱學(xué)是研究不同溫度的物體或 同一物體的不同部分之間熱量傳遞規(guī)律的學(xué)科。傳熱不僅是 常見的自然現(xiàn)象，而且廣泛存在于工程技術(shù)領(lǐng)域。例如，提 高鍋爐的蒸汽產(chǎn)量，防止燃?xì)廨啓C(jī)燃燒室過熱、減小內(nèi)燃機(jī) 氣缸和曲軸的熱應(yīng)力、確定換熱器的傳熱面積和控制熱加工 時(shí)零件的變形等都是典型的傳熱問題。傳熱的基本方式有熱 傳導(dǎo)、熱對(duì)流和熱輻射三種。熱傳導(dǎo)是指在不涉及物質(zhì)轉(zhuǎn)移 的情況下，熱量從物體中溫度較高的部位傳遞給相鄰的溫度 較低的部位或從高溫

6、物體傳遞給相接觸的低溫物體的過程， 簡(jiǎn)稱導(dǎo)熱。熱對(duì)流是指不同溫度的流體各部分由相對(duì)運(yùn)動(dòng)引 起的熱量交換。工程上廣泛遇到的對(duì)流換熱是指流體與其接 觸的固體壁面之間的換熱過程，它是熱傳導(dǎo)和熱對(duì)流綜合作 用的結(jié)果。決定換熱強(qiáng)度的主要因素是對(duì)流的運(yùn)動(dòng)情況。熱 輻射是指物體因自身具有溫度而輻射出能量的現(xiàn)象。它是波 長(zhǎng)在 0.1100 微米之間的電磁輻射，因此與其他傳熱方式不 同熱量可以在沒有中間介質(zhì)的真空中直接傳遞。太陽就是以 輻射方式向地球傳遞巨大能量的。每一物體都具有與其絕對(duì) 溫度的四次方成比例的熱輻射能力也能吸收周圍環(huán)境對(duì)它 的輻射熱。輻射和吸收所綜合導(dǎo)致的熱量轉(zhuǎn)移稱為輻射換 熱。實(shí)際傳熱過程一般

7、都不是單一的傳熱方式，如火焰對(duì)爐 壁的傳熱就是輻射、對(duì)流和傳導(dǎo)的綜合，而不同的傳熱方式 則遵循不同的傳熱規(guī)律。為了分析方便，人們?cè)趥鳠嵫芯恐?把三種傳熱方式分解開來，然后再加以綜合。一、在航空航天、核能、微電子領(lǐng)域的應(yīng)用(1) 人類征服天空和宇宙空間的不懈努力以及所取得的巨 大成果 ,是當(dāng)今世界上各領(lǐng)域高技術(shù)、 新材料研究最集中的體 現(xiàn)。其中傳熱學(xué)所起的作用功不可沒。據(jù)美國(guó)航空和宇宙航 行局 (NASA)所作的技術(shù)分析 ,美國(guó)航天飛機(jī)的技術(shù)關(guān)鍵只有 一個(gè)半 ,這半個(gè)是大推力的液氫液氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī) (其中自然 與傳熱有密切的關(guān)系 ),而那一個(gè)關(guān)鍵則是所謂“熱防護(hù)系統(tǒng)” (TPS),即指以航天飛機(jī)外

8、表面的防熱瓦為主的整個(gè)熱防護(hù)結(jié) 構(gòu)。它被視為可反復(fù)使用的航天飛機(jī)成敗的最大關(guān)鍵。之所 以把熱防護(hù)系統(tǒng)提到如此重要的地位,是由于航天飛機(jī)極端復(fù)雜的氣動(dòng)熱環(huán)境以及要求該防熱系統(tǒng)必須能夠重復(fù)使用 造成的。 舉幾個(gè)數(shù)字為證 ,航天飛機(jī)在地球軌道上將反復(fù)地經(jīng) 受因太陽直接輻照產(chǎn)生的高溫和進(jìn)入地球陰影時(shí)面對(duì)接近 0K 的宇畝空間導(dǎo)致的低溫變化范圍達(dá)到 -157 55,同時(shí)還 要經(jīng)受 1.33 10-4Pa的高真空環(huán)境 ,在以 7.5km/s 的速度從 120km 高度重返地球大氣層時(shí) ,飛行器表面的熱流密度大約 達(dá)到 2.5 105W/m2 1650 ,除此之外還必須能夠經(jīng)受太陽紫外線、 高能粒子和微 隕

9、石可能的撞擊。在這樣嚴(yán)酷的情況下要能夠保證飛行安全 內(nèi)部的人員、 設(shè)備不受任何干擾 ,必須采取特殊有效的熱防護(hù) 措施 ,為此先后研制成功并投入使用的第一代低溫陶瓷防熱 瓦(LRSI)LI 900、第二代高溫陶瓷防熱瓦 (HRSI)LI 2200以 及較晚研制成功的由氧化硅纖維和氧化鋁纖維組成的第二 代陶瓷瓦 HTP 是這一系統(tǒng)的核心。(2) 紅外輻射除了可以用于工業(yè)加熱和物料干燥之外,紅外測(cè)試技術(shù)還具有不干擾、 不破壞原有溫度分布的突出優(yōu)點(diǎn) 因而在資源勘查、農(nóng)作物估產(chǎn)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、火災(zāi)防護(hù)、醫(yī)療 診斷，甚至刑事案件的偵破和軍事偵察、跟蹤等許多高技術(shù) 領(lǐng)域當(dāng)中扮演著重要的角色。(3) 多孔介質(zhì)中的

10、傳熱傳質(zhì)是當(dāng)今傳熱學(xué)科很活躍的一 個(gè)前沿領(lǐng)域。所謂多孔介質(zhì)是以自然形態(tài)存在的一類特殊材 料 ,如土壤的閉粒結(jié)構(gòu) ,很多建筑材料 ,如混凝土、磚、砂石等 生物材料 ,像人和動(dòng)物的組織、 臟器和皮膚等。 它們一般是由 固體骨架或固體顆粒堆積組成的多相體系,其中的質(zhì)量、 動(dòng)量和熱量的傳遞規(guī)律是揭開很多大自然秘密的關(guān)鍵因素。燃?xì)?輪機(jī)高溫葉片的發(fā)散冷卻技術(shù) ,石油熱采地?zé)崂弥械叵聼?儲(chǔ)的熱量傳遞 ,利用土壤巖層進(jìn)行蓄熱、蓄冷 ,化工反應(yīng)器如 固定床和催化劑填充床中的傳熱傳質(zhì)過程,核廢料在地下的安全存放 ,生物體和食品的貯存保鮮技術(shù) ,城市污水及工業(yè)廢 水的排放、擴(kuò)散 (注入或滲入地下 )與控制 ,農(nóng)

11、作物的節(jié)水灌溉 技術(shù) ,谷物的長(zhǎng)期存貯 (冷卻及干燥 )等均屬于多孔介質(zhì)傳熱傳 質(zhì)研究的范疇。人們還發(fā)現(xiàn)多孔材料常常是性能優(yōu)良的強(qiáng)化 傳熱傳質(zhì)媒體和隔熱性能良好的熱絕緣材料。為此已設(shè)計(jì)生 產(chǎn)出各種 “模擬的” 人造多孔體材料 ,用它們制造換熱設(shè)備以 達(dá)到強(qiáng)化傳熱的目的或者制造用于極低溫度環(huán)境下的超級(jí) 隔熱材料。二、在生物醫(yī)學(xué)工程、環(huán)境工程領(lǐng)域(1) 生物傳熱學(xué)是近年才發(fā)展起來的新興傳熱學(xué)科分支。 雖然遠(yuǎn)末達(dá)到完善的程度卻已經(jīng)顯示出強(qiáng)大的生命力和令 人鼓舞的應(yīng)用前景。它是由生物學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)和傳熱學(xué)多個(gè) 學(xué)科領(lǐng)域交叉形成的一門新學(xué)科 ,其目的在于通過把傳熱學(xué) 的基本原理和研究方法、 手段引入到生物

12、和醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域中 探討物質(zhì)和能量在生物體內(nèi)的傳輸規(guī)律,以便為諸多至今末解開的生物醫(yī)學(xué)難題尋求有效的解決方案。比如人體器官、 組織及皮膚癌變的熱診斷與高溫治療 ,激光和超低溫外科手 術(shù) ,人體器官移植與冷凍貯存 ,胚胎的低溫保存 ,燒傷、燙傷和 凍 傷的臨床治療及康復(fù)等。除此以外 ,摸清生物傳熱的基本 規(guī)律還可以為開發(fā)各種熱療和熱診斷用的儀器設(shè)備奠定必 要的理論基礎(chǔ) 。研究生物傳熱的困難在于生物組織本身的 結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，它們一般既是各向異性體，又是多相體、多 孔體，同時(shí)還存在因生物代謝產(chǎn)生的內(nèi)熱源。生物體內(nèi)有很 多血管，要確定因血液灌流導(dǎo)致的熱量傳遞是非常困難的。 而且?guī)缀跛械膭?dòng)物、甚至一些植

13、物都具備通過中樞神經(jīng)系 統(tǒng)來感知和調(diào)節(jié)自身溫度的能力，這是一套極復(fù)雜的溫度傳 感和控制體系。加之生物體內(nèi)的傳熱溫差通常非常小，生物 材料的特性隨民族、 年齡、性別和身體狀況等因素各不相同。(2) 以化石燃料 (煤炭、石油和天然氣 )為主構(gòu)成的常規(guī)能 源終將耗盡，而且已經(jīng)為期不遠(yuǎn)。以太陽能、地?zé)崮?、海?能 (包括海洋溫差和波浪能 )以及效率更高的發(fā)電方式，如氫 燃料電池、磁流體發(fā)電乃至可控核聚變?yōu)榇淼男履茉纯傄?逐步走向前臺(tái)，成為人類的主要消費(fèi)能源。這些新型能源的 獲得、轉(zhuǎn)換和使用都要以傳熱學(xué)的基本原理為指導(dǎo)。可以預(yù) 計(jì)，這些新型能源技術(shù)的逐步完善一定會(huì)極大地推動(dòng)傳熱學(xué) 科的進(jìn)一步發(fā)展。比如

14、太陽能熱利用就必須妥善地解決低能 量密度情況下熱能的有效采集和轉(zhuǎn)換，以及因晝夜更替、氣 候變化帶來的貯能問題。再比如地球上蘊(yùn)藏海洋溫差能的海 域達(dá)到 6107/m2 ，發(fā)電能力達(dá)到 1012W 量級(jí)。但是可利用 的溫差僅 15 25，要在這樣小的溫差下充分利用這個(gè)巨大 的能源，非得有換熱效率極高的熱交換設(shè)備不可。(3) 以計(jì)算機(jī)芯片為代表的微電子元器件發(fā)展迅速，隨 著芯片體積微型化 ,線寬迅速下降 ,芯片表面的熱流密度已經(jīng) 超過 106w/m2, 因此有“熱障”之說 ,這對(duì)微型化高效冷卻技 術(shù)提出了極高的要求。近年用于高端服務(wù)器和桌面工作站的 新型空氣冷卻裝臵的冷卻能力也已經(jīng)達(dá)到 105w/m

15、2 。(4) 現(xiàn)代的機(jī)械加工工藝已經(jīng)不限于傳統(tǒng)的車、鉗、銑、 刨像激光鉆孔、激光切割這類高熱流、超短時(shí)間的新型加工 手段已經(jīng)用于石油鉆井管等一些有特殊要求的場(chǎng)合,并取得了良好的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效益。這類特殊加工方式所涉及的熱量 傳遞問題己不能再用傳統(tǒng)的導(dǎo)熱理論來分析,而必須加入對(duì)熱量傳輸速度的考慮 ,這類問題被稱為“非博里葉導(dǎo)熱” 。(5) 環(huán)境與發(fā)展是當(dāng)今全世界各國(guó)普通關(guān)注的兩大問 題。為了快速發(fā)展經(jīng)濟(jì) ,不合理地甚至掠奪式地開發(fā)自然資源 以及在工業(yè)化初期對(duì)各種污染處理不當(dāng)或者未加處理就任 意排放的現(xiàn)象十分普遍 ,造成的后果是極其嚴(yán)重的。環(huán)境污染主要由大氣污染、水體污染和固體廢物污染構(gòu)成。僅就大

16、氣污染而言 ,主要包括氣溶膠狀態(tài)污染物 (指固態(tài)、液態(tài)粒子 利它們?cè)跉怏w中的懸浮物 )、硫化物、 氮氧化物、 碳氧化物和 碳?xì)浠衔铩?氣溶膠按粒徑大小又分為總懸浮顆粒物、 飄塵、 降塵和可吸入粒子 ,這些都是評(píng)價(jià)大氣質(zhì)量的主要指標(biāo) ,同時(shí) 也是對(duì)人身健康構(gòu)成威脅的豐要因素。 值得注意的是 ,這些類 型的氣溶膠幾乎都是在燃燒、霧化、冷凝或凝結(jié)、凝聚、蒸 發(fā)、升華等與傳熱有密切關(guān)系的過程中形成的。硫化物、氮 氧化物和碳氧化物則基本上來自化石類燃料的燃燒和礦石 的焙饒、冶煉過程。 所以,控制并最大限度地減少這些污染物 離不開對(duì)傳熱學(xué)原理的正確掌握和運(yùn)用。(6) 中國(guó)是水資源嚴(yán)重不足的國(guó)家 ,人均占

17、有量不到世界平均水平的四分之一 ,干旱地區(qū)甚至只有幾十分之一。 中國(guó)正 處于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展時(shí)期電【 2】力、冶金、化工、建樹等部 門都是耗電耗水大戶 ,這是一個(gè)巨大的矛盾。 在嚴(yán)重缺水地區(qū) 建設(shè)空冷電站 ,在工業(yè)企業(yè)中改傳統(tǒng)的水冷 (濕冷 )為蒸發(fā)冷卻 和空氣冷卻 (干冷 )是從根本上解決水資源短缺問題的重要途 徑 ,同時(shí)具有明顯的環(huán)保效益。江河湖海不僅提供用水,同時(shí)也是保證人類生存環(huán)境 ,維持生態(tài)平衡的重要因素。 無節(jié)制地 排放未經(jīng)適當(dāng)處理的工業(yè)用水不僅造成水域的化學(xué)污染,還將構(gòu)成局部水域的“熱污染” 。三、在新能源領(lǐng)域(1)隨著航天技術(shù)水平的不斷進(jìn)步 ,低溫領(lǐng)域研究的重要 性變得日益重要起來。在衛(wèi)星、火箭燃料、航天飛機(jī)【2】及其所攜帶的紅外遙感和電子設(shè)備上 ,在航天器的地面模擬 裝臵等方面 ,均需要用到低溫技術(shù)和相應(yīng)的裝備。 考慮到未來 超導(dǎo)技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用前景和氫氣作為清潔能源成為車輛 的主要燃料 ,低溫技術(shù)的應(yīng)用范圍將更加廣闊。 僅就目前階段 的主要應(yīng)用航天方面而言 ,對(duì)材料和技術(shù)水平的要求已經(jīng) 相當(dāng)高。(2)軍事領(lǐng)域里用到的傳熱知識(shí)更是數(shù)不勝數(shù)。從歷史上看,相當(dāng)多的傳熱技術(shù)是從軍事用途開始發(fā)展并逐步走向完 善和大規(guī)模應(yīng)用的。例如戰(zhàn)斗機(jī)