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(wèn)題解決措施未來(lái)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(wú)時(shí)無(wú)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(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,

2、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(guò)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(wèn)題更是與機(jī)械制造這門學(xué)科息息相關(guān)。傳熱學(xué)是研究由溫度差異引起的熱

3、量傳遞過(guò)程的科學(xué)。傳熱現(xiàn)象在我們的日常生活中司空見(jiàn)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(lái)，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(lái)了資源、人口與環(huán)境等重大國(guó)際問(wèn)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(lái)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(lái)越多地與熱力學(xué)、流體力學(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

4、、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(wèn)題都可以用傳熱學(xué)來(lái)解決，這些部門包括能源、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，

5、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(jiàn)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物體傳遞給相接觸的低溫物體的過(guò)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

6、換熱是指流體與其接觸的固體壁面之間的換熱過(guò)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(méi)有中間介質(zhì)的真空中直接傳遞。太陽(yáng)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(guò)程一般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)趥鳠嵫芯恐邪讶N傳熱

7、方式分解開來(lái)，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(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)。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

8、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(yáng)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-15755,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機(jī)翼前緣和頭錐帽上的溫度高達(dá)1650,除此之外還必須能夠經(jīng)受太陽(yáng)紫外線、高能粒子和微隕石可能的撞擊。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)LI9

9、00、第二代高溫陶瓷防熱瓦(HRSI)LI2200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

10、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)廨啓C(jī)高溫葉片的發(fā)散冷卻技術(shù),石油熱采地?zé)崂弥械叵聼醿?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(guò)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)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

11、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(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

12、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、甚至一些植物都具備通過(guò)中樞神經(jīng)系統(tǒng)來(lái)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(yáng)能、地?zé)崮堋⒑Ｑ竽?包括海洋溫差和波浪能

13、)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。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)?？梢灶A(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。比如太陽(yáng)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(lái)的貯能問(wèn)題。再比如地球上蘊(yùn)藏海洋溫差能的海域達(dá)到6×107/m2，發(fā)電能力達(dá)到1012W量級(jí)。但是可利用的溫差僅1525，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

14、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(guò)106w/m2,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105w/m2。 (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(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(wèn)題。

15、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?。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(guò)程中形成的。硫化物、氮氧化物和碳氧化物則

16、基本上來(lái)自化石類燃料的燃燒和礦石的焙饒、冶煉過(guò)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(wèn)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(wú)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(lái)。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置等方面,均需要用到低溫技術(shù)和相應(yīng)的裝備?？紤]到未來(lái)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)燃?xì)?/p>