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传热学在机械中的运用 学院：机电学院

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一、传热学的形成

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公式的数学表达式，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年又为波尔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。 二、传热学目前的发展

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

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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。

三、传热学在机械中的一些运用举例 （1）钛及其合金的加工条件

由于钛及其合金阴传热率低, 在其切削加工中, 由切屑的塑性变形、切屑与工具之间的滑动摩擦等产生的热量, 不能及时通过被加工工件散发, 而集中在刀具的刀刃上,从而降低了刀具的寿命, 给钛及其合金的切削加工带来严重困难。因此正确选用各种切削加工条件，（例如用传热学合理运用热处理条件等）， 不仅会提高切削加工效率, 延长刀具寿命, 而且可保证加工件的质量。

（2）机械加工多孔层在大气压和高于大气压时的沸腾换热

在过去的二十年中, 已研制出多种高性能强化沸腾换热结构 其中Thermoexcel-E型结构是机械加工多孔层中有代表性的一种, 并进行了较多研究.但迄今为止, 研究工作多限于一个大气压时的沸腾工作状况, 而较少涉及非大气压时的情形。Thermoexcel-E在几何结构上可视为低肋槽上覆盖一个多孔屏, 屏上的小孔与肋槽壁面形成一系列内部相互连通的再入式贮气凹腔。热负荷较低时,气泡将沿着肋槽底部移动一段距离并沿途清扫隧道壁面, 然后从较上部的开孔逸出, 导致隧道中的压力下降, 池液则从多孔屏下部的开孔流入隧道。达到旺盛沸腾时, 活化孔数量增大, 非活化孔数量减小, 多孔层中建立起的气一液两相循环流动形态。从而使使该多孔层中的沸腾传热被显著强化。该实运用传热学知识，提出了低肋槽加多孔屏的简化模型, 进行了相应的气一液两相流动与传热分析; 综合实验数据, 建立了传热关联式验从而解决了问题。

（3）机械加工表面强化管管外全凝与部分凝结换热

以强化传热为目的，对两种机械加工表面强化管——强化管Ⅰ和强化管Ⅱ进行研究．在全凝工况下对该强化传热管与光管进行对比实验，研究表面特殊结构对强化传热的影响，并在部分凝结工况下对强化的换热情况进行实验和分析．结果表明：强化管能明显提高冷凝传热效果. 在测定的雷诺数范围内，以水蒸气为冷凝介质，强化管Ⅰ和强化管Ⅱ的管外凝结传热系数分别约为光管的2.89 倍和1.75 倍，总传热系数分别约为光管的1.89 倍和1.33倍；酒精作为冷凝介质，管径19,mm 时部分凝结传热系数分别是全凝工况冷凝传热系数的2.1～3.0 倍和1.5～2.0倍，管径25,mm时分别是全凝工况的2.0～3.0 倍和1.8～2.5 倍。

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（4）机械加工表面多孔管传热和抗垢性能

多孔管是一种强化沸腾传热的新型高效换热元件, 它可以提供大量尺寸较大而且长期稳定的汽化核心, 在很小的壁面过热度下就可以产生大量的汽泡, 强化了核态沸腾传热, 因此,多孔管具有优良的传热性能。在沸腾过程中, 当产生的汽泡长大并脱离多孔表面后, 残存于孔穴中的汽体又在孔穴中长大成为一个新的汽泡, 呀气泡的膨胀收缩起到了泵的作用, 使大盘液体不断地在隧道中循环流动, 能防止污染物和固体悬浮物等的局部增浓, 同时, 由于沸腾传热温差小, 壁温接近流体主体温度, 壁面过热度小, 不易使热敏性物质分解和结焦, 此外, 多孔管具有的毛细管特性能保证壁面有足够的润湿, 防止热斑或局部干燥引起的结晶或聚合物沉积, 因而具有抗结垢的特性。沸腾过程中进入隧道循环的液体量越大, 临界结垢浓度也越高, 防止结晶结垢的而留下的盐溶解, 便有盐在隧道内析出, 盐的析出使隧道的通道变窄, 液体循环受到阻碍,结晶析出的速度加快, 传热性能便迅速下降。对C a S O4溶液, 溶解度随温度的升高而降低, 因多孔管传热温差小, 壁面附近溶液的过热度较小, 溶液形成过饱和的程度也较小。在沸腾过程中, 由于多孔表面汽泡的扰动十分剧烈, 在加热表面上析出的少量盐的结晶会因汽泡和液体的冲刷而脱离表面, 因此, 多孔管在这种情况下的抗垢能力比光管弧能力就越强。 四、传热学在机械中的重要作用简析

在机械加工中，运用传热学合理分析器件温度变化，热量传递情况，可以保证加工零件的精确度，从而提高加工工艺，改善机械产品的质量和使用寿命。在平时机械设备的日常使用过程中，良好且适宜的科学热分析和处理方法可以节省资源和提高生产效率，提高安全性，从而更快更好实现利益最大化。可以这么说，在机械行业的每一个角落，都有着传热学的身影。因为有了传热学的发展，机械行业才得以大踏步发展。相信在有限的未来时光里，这些一切都还会有更大的进步。

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