《工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)》在機(jī)械領(lǐng)域中的運(yùn)用

1、工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)在機(jī)械領(lǐng)域中的運(yùn)用 （華南農(nóng)業(yè)大學(xué)，工程學(xué)院，廣州 ）摘 要：自18世紀(jì)30年代發(fā)明近代動(dòng)力機(jī)械以來(lái)，人類的生產(chǎn)力出現(xiàn)了質(zhì)的飛躍，生產(chǎn)水平跨上了一個(gè)個(gè)新的臺(tái)階。隨后的蒸汽輪機(jī)、內(nèi)燃機(jī)乃至燃?xì)廨啓C(jī)的陸續(xù)應(yīng)用則更使能源的轉(zhuǎn)換和利用技術(shù)達(dá)到了前所未有的嶄新階段。這個(gè)進(jìn)程至今仍在繼續(xù)當(dāng)中。傳熱學(xué)科的建立與發(fā)展、不斷完善和提高是與上述過(guò)程相伴而行的。熱傳遞現(xiàn)象更是無(wú)時(shí)無(wú)處不在，它的影響幾乎遍及所有的工業(yè)部門，也滲透到農(nóng)業(yè)、林業(yè)等許多技術(shù)部門中。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)域都在不同程度上應(yīng)用傳熱研究的最新成果。關(guān)鍵詞：熱傳遞

2、傳熱學(xué) 機(jī)械領(lǐng)域 發(fā)展趨勢(shì)The application of engineering thermodynamics and heat transferin mechanical fieldQian Jianping(College of Engineering, South China Agricultural University, Guangzhou , China)Abstract: Since the 1730 s, since the invention of the modern machinery, the productivity of human appeared a qu

3、alitative leap, the production level up a new step. Then steam turbines, internal combustion engines and gas turbine application in succession, more make the conversion and utilization of energy technology has reached the unprecedented new stage. The process is still continuing. The establishment an

4、d development of heat transfer science, and constantly improve and improve and is accompanied by the process. Heat transfer phenomenon is everywhere at all times, and its influence in almost all industrial sectors, also infiltrated in agriculture, forestry and many other technical department. the la

5、test research results of application of heat transfer in different degree was use in Aerospace, nuclear energy, microelectronics, materials, biomedical engineering, environmental engineering, new energy and agricultural engineering, and many other high-tech fields.Key words: heat transfer heat trans

6、mission science Mechanical field development tendency熱傳遞現(xiàn)象無(wú)時(shí)無(wú)處不在，它的影響幾乎遍及現(xiàn)代所有的工業(yè)部門，也滲透到農(nóng)業(yè)、林業(yè)等許多技術(shù)部門中?？梢哉f(shuō)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(guò)程和傳熱完全沒(méi)有任何關(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)，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

7、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。熱科學(xué)的工程領(lǐng)域包括熱力學(xué)和傳熱學(xué)。傳熱學(xué)的作用是利用可以預(yù)測(cè)能量傳遞速率的一些定律去補(bǔ)充熱力學(xué)分析，因后裔只討論在平衡狀態(tài)下的系統(tǒng)。這些附加的定律是以三種基本的傳熱方式為基礎(chǔ)的，即導(dǎo)熱、對(duì)流和輻射。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(guò)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(wèn)題。傳熱學(xué)的應(yīng)用非

8、常廣泛，幾乎滲透到生活的各個(gè)領(lǐng)域，如：傳熱學(xué)在傳統(tǒng)機(jī)械工業(yè)領(lǐng)域和農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域中的應(yīng)用，傳熱學(xué)在高新技術(shù)機(jī)械領(lǐng)域中的應(yīng)用等。以下將工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)在機(jī)械領(lǐng)域中的運(yùn)用分為兩個(gè)方面進(jìn)行介紹。1、傳熱學(xué)在傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)械領(lǐng)域和農(nóng)業(yè)機(jī)械領(lǐng)域中的應(yīng)用(1)在鑄造、焊接、金屬熱處理等常規(guī)機(jī)械加工工藝過(guò)程中，存在大量的非穩(wěn)態(tài)導(dǎo)熱、移動(dòng)邊界的固液相變傳熱以及各類對(duì)流換熱問(wèn)題。在精密機(jī)械和精密儀器的制造和使用過(guò)程中，熱應(yīng)力和熱變形量的預(yù)測(cè)、修正及控制也同樣有賴于傳熱原理的指導(dǎo)。(2)在各類機(jī)械控制方面，即在強(qiáng)電或弱電方面的應(yīng)用，元器件的有效冷卻和設(shè)備的更新?lián)Q代都與強(qiáng)化傳熱研究有關(guān)。例如大型發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)子、定子繞組和定

9、子鐵心的冷卻就是典型的對(duì)流傳熱問(wèn)題。近百年來(lái)單機(jī)容量從幾萬(wàn)干瓦擴(kuò)大到百萬(wàn)千瓦，很大程度上是靠冷卻技術(shù)的不斷改進(jìn)得以實(shí)現(xiàn)的，從空冷、氫冷發(fā)展到水冷，冷卻技術(shù)的進(jìn)步顯著提高了電磁負(fù)荷強(qiáng)度和材料的利用率。(3)農(nóng)業(yè)機(jī)械是指在作物種植業(yè)和畜牧業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中，以及農(nóng)、畜產(chǎn)品初加工和處理過(guò)程中所使用的各種機(jī)械。農(nóng)業(yè)機(jī)械包括農(nóng)用動(dòng)力機(jī)械、農(nóng)田建設(shè)機(jī)械、土壤耕作機(jī)械、種植和施肥機(jī)械、植物保護(hù)機(jī)械、農(nóng)田排灌機(jī)械、作物收獲機(jī)械、農(nóng)產(chǎn)品加工機(jī)械、畜牧業(yè)機(jī)械和農(nóng)業(yè)運(yùn)輸機(jī)械等。各種機(jī)械的研發(fā)設(shè)計(jì)都離不開工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)這一門學(xué)科。2、在機(jī)械高新技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用(1)航空航天領(lǐng)域是當(dāng)今世界上各領(lǐng)域高技術(shù)、新材料研究最集中

10、的體現(xiàn)。其中傳熱學(xué)所起的作用功不可沒(méi)。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)外表面的防熱瓦為主的整個(gè)熱防護(hù)結(jié)構(gòu)。(2)生物傳熱學(xué)是近年才發(fā)展起來(lái)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(guò)把傳熱學(xué)的基本原理和研究方法、手段引入到生物和醫(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

11、開的生物醫(yī)學(xué)難題尋求有效的解決方案。在這一領(lǐng)域產(chǎn)生了各種新興的機(jī)械，而這些機(jī)械的研發(fā)設(shè)計(jì)都離不開工程熱力學(xué)與傳熱學(xué)。(3)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(yáng)能、地?zé)崮?、海洋?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鸩阶呦蚯芭_(tái)，成為人類的主要消費(fèi)能源。能源的短缺，促進(jìn)各種耗能機(jī)械朝著節(jié)能或者新能源方向發(fā)展，每一類新能源的發(fā)現(xiàn)都促進(jìn)某一類機(jī)械的出現(xiàn)迅速發(fā)展，而這些新能源機(jī)械的出現(xiàn)和發(fā)展都與傳熱學(xué)有著密切的聯(lián)系。(4)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

12、速下降，芯片表面的熱流密度已經(jīng)超過(guò)l06wm2，因此有“熱障”之說(shuō)，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置的冷卻能力也已經(jīng)達(dá)到l05wm2。(5)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(wèn)題己不能再用傳統(tǒng)的導(dǎo)熱理論來(lái)分析，而必須加入對(duì)熱量傳輸速度的考慮，這類問(wèn)題被稱為“非傅里葉導(dǎo)熱”。這是在機(jī)械生產(chǎn)設(shè)備領(lǐng)域的又一個(gè)里程碑。又如鈦及其合金的加工，由于鈦及其合金陰傳熱率低，在其切削加

13、工過(guò)程中，由切屑的塑性變形、切屑與刀具之間的滑動(dòng)摩擦等產(chǎn)生熱量，不能及時(shí)散發(fā)，而集中在刀具刀刃上，造成刀具壽命降低，加工質(zhì)量差等，其實(shí)不僅僅是鈦合金，像其他一些新材料都有不同的加工難題。因此正確選用加工條件，合理運(yùn)用傳熱學(xué)的理論進(jìn)行導(dǎo)熱，顯得極其重要，不僅可以提高切削加工速率，延長(zhǎng)刀具和設(shè)備壽命，還可提高加工件的加工質(zhì)量。 (6)軍事領(lǐng)域里的機(jī)械用到的傳熱知識(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)燃?xì)鉁u輪發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)參數(shù)一貫代表這一領(lǐng)域的最高水平。再如紅外攝像裝置和傳感器，最早也僅用于軍事目的，像偵察用的夜視儀、導(dǎo)彈的紅外跟蹤尋的裝置等。(7)各種材料的熱處理，例如金屬材料的鍛造、鑄造、淬火、退火、回火，還有一些工程塑料的注塑成型等都離不開溫度的控制。機(jī)械零件的制造離不開