《工程熱力學與傳熱學》在機械領域中的運用

1、精選優(yōu)質文檔-傾情為你奉上工程熱力學與傳熱學在機械領域中的運用 （華南農(nóng)業(yè)大學，工程學院，廣州 ）摘 要：自18世紀30年代發(fā)明近代動力機械以來，人類的生產(chǎn)力出現(xiàn)了質的飛躍，生產(chǎn)水平跨上了一個個新的臺階。隨后的蒸汽輪機、內燃機乃至燃氣輪機的陸續(xù)應用則更使能源的轉換和利用技術達到了前所未有的嶄新階段。這個進程至今仍在繼續(xù)當中。傳熱學科的建立與發(fā)展、不斷完善和提高是與上述過程相伴而行的。熱傳遞現(xiàn)象更是無時無處不在，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)等許多技術部門中。航空航天、核能、微電子、材料、生物醫(yī)學工程、環(huán)境工程、新能源以及農(nóng)業(yè)工程等諸多高新技術領域都在不同程度上應用傳熱研究的

2、最新成果。關鍵詞：熱傳遞 傳熱學 機械領域 發(fā)展趨勢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

3、appeared a qualitative 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 est

4、ablishment and 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 depar

5、tment. the latest 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 transf

6、er heat transmission science Mechanical field development tendency專心-專注-專業(yè)熱傳遞現(xiàn)象無時無處不在，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)等許多技術部門中。可以說除了極個別的情況以外，很難發(fā)現(xiàn)一個行業(yè)、部門或者工業(yè)過程和傳熱完全沒有任何關系。不僅傳統(tǒng)工業(yè)領域，像能源動力、冶金、化工、交通、建筑建材、機械以及食品、輕工、紡織、醫(yī)藥等要用到許多傳熱學的有關知識，而且諸如航空航天、核能、微電子、材料、生物醫(yī)學工程、環(huán)境工程、新能源以及農(nóng)業(yè)工程等很多高新技術領域也都在不同程度上有賴于應用傳熱研究的最新成果，并涌現(xiàn)出

7、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科。在某些環(huán)節(jié)上，傳熱技術及相關材料設備的研制開發(fā)甚至成為整個系統(tǒng)成敗的關鍵因素。熱科學的工程領域包括熱力學和傳熱學。傳熱學的作用是利用可以預測能量傳遞速率的一些定律去補充熱力學分析，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的，即導熱、對流和輻射。傳熱學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領域。例如，提高鍋爐的蒸汽產(chǎn)量，防止燃氣輪機燃燒室過熱、減小內燃機氣缸和曲軸的熱應力、確定換熱器的傳熱面積和控制熱加工時零件的

8、變形等，都是典型的傳熱問題。傳熱學的應用非常廣泛，幾乎滲透到生活的各個領域，如：傳熱學在傳統(tǒng)機械工業(yè)領域和農(nóng)業(yè)機械領域中的應用，傳熱學在高新技術機械領域中的應用等。以下將工程熱力學與傳熱學在機械領域中的運用分為兩個方面進行介紹。1、傳熱學在傳統(tǒng)工業(yè)機械領域和農(nóng)業(yè)機械領域中的應用(1) 在鑄造、焊接、金屬熱處理等常規(guī)機械加工工藝過程中，存在大量的非穩(wěn)態(tài)導熱、移動邊界的固液相變傳熱以及各類對流換熱問題。在精密機械和精密儀器的制造和使用過程中，熱應力和熱變形量的預測、修正及控制也同樣有賴于傳熱原理的指導。(2) 在各類機械控制方面，即在強電或弱電方面的應用，元器件的有效冷卻和設備

9、的更新?lián)Q代都與強化傳熱研究有關。例如大型發(fā)電機的轉子、定子繞組和定子鐵心的冷卻就是典型的對流傳熱問題。近百年來單機容量從幾萬干瓦擴大到百萬千瓦，很大程度上是靠冷卻技術的不斷改進得以實現(xiàn)的，從空冷、氫冷發(fā)展到水冷，冷卻技術的進步顯著提高了電磁負荷強度和材料的利用率。(3) 農(nóng)業(yè)機械是指在種植業(yè)和生產(chǎn)過程中，以及農(nóng)、畜產(chǎn)品初加工和處理過程中所使用的各種機械。農(nóng)業(yè)機械包括農(nóng)用動力機械、農(nóng)田建設機械、土壤耕作機械、種植和施肥機械、植物保護機械、作物收獲機械、畜牧業(yè)機械和農(nóng)業(yè)運輸機械等。各種機械的研發(fā)設計都離不開工程熱力學與傳熱學這一門學科。2、在機械高新技術領域中的應用(1) 航空

10、航天領域是當今世界上各領域高技術、新材料研究最集中的體現(xiàn)。其中傳熱學所起的作用功不可沒。據(jù)美國航空和宇宙航行局(NASA)所作的技術分析，美國航天飛機的技術關鍵只有一個半，這半個是大推力的液氫液氧火箭發(fā)動機(其中自然與傳熱有密切的關系)，而那一個關鍵則是所謂“熱防護系統(tǒng)”(TPS)，即指以航天飛機外表面的防熱瓦為主的整個熱防護結構。(2) 生物傳熱學是近年才發(fā)展起來的新興傳熱學科分支。雖然遠末達到完善的程度，卻已經(jīng)顯示出強大的生命力和令人鼓舞的應用前景。它是由生物學、臨床醫(yī)學和傳熱學多個學科領域交叉形成的一門新學科，其目的在于通過把傳熱學的基本原理和研究方法、手段引入到生物和醫(yī)學工程

11、領域中，探討物質和能量在生物體內的傳輸規(guī)律，以便為諸多至今末解開的生物醫(yī)學難題尋求有效的解決方案。在這一領域產(chǎn)生了各種新興的機械，而這些機械的研發(fā)設計都離不開工程熱力學與傳熱學。(3) 以化石燃料(煤炭、石油和天然氣)為主構成的常規(guī)能源終將耗盡，而且已經(jīng)為期不遠。以太陽能、地熱能、海洋能(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鸩阶呦蚯芭_，成為人類的主要消費能源。能源的短缺，促進各種耗能機械朝著節(jié)能或者新能源方向發(fā)展，每一類新能源的發(fā)現(xiàn)都促進某一類機械的出現(xiàn)迅速發(fā)展，而這些新能源機械的出現(xiàn)和發(fā)展都與傳熱學有著密切的聯(lián)系。

12、(4) 以計算機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l06wm2，因此有“熱障”之說，這對微型化高效冷卻技術提出了極高的要求。近年用于高端服務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)達到l05wm2。(5) 現(xiàn)代的機械加工工藝已經(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合，并取得了良好的技術和經(jīng)濟效益。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)的導熱理論來分析，而必須加入對熱量傳輸速度的考慮，這類問題被稱為“非傅里葉導熱”

13、。這是在機械生產(chǎn)設備領域的又一個里程碑。又如鈦及其合金的加工，由于鈦及其合金陰傳熱率低，在其切削加工過程中，由切屑的塑性變形、切屑與刀具之間的滑動摩擦等產(chǎn)生熱量，不能及時散發(fā)，而集中在刀具刀刃上，造成刀具壽命降低，加工質量差等，其實不僅僅是鈦合金，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，合理運用傳熱學的理論進行導熱，顯得極其重要，不僅可以提高切削加工速率，延長刀具和設備壽命，還可提高加工件的加工質量。      (6) 軍事領域里的機械用到的傳熱知識更是數(shù)不勝數(shù)。從歷史上看，相當多的傳熱技術是從軍事用途開始發(fā)展并逐步走向完善和大規(guī)模應用的。例如戰(zhàn)斗機燃氣渦輪發(fā)動機的技術參數(shù)一貫代表這一領域的最高水平。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。機械零件的制造離不開以上的幾種加工處