哈工大传热学大作业--传热学的新领域

传热学的应用领域
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概述
• 传热学是研究热量传递规律的一门学科， 而机械设计制造及使用的过程中与传热几 乎是形影不离的，我们通过机械设备把其 他形式的能量转化成我们需要的运动或者 动力，但最终那些能量还是要变成热量散 失到环境中去，当然少不了传热学中所讲 的三种方式：对流换热、导热和辐射换热。
一.关于导热的回顾： • 导热——热量从物体中温度较高的部位传递到温度较低的 部位，或者从温度较高的物体传递到与之接触的温度较低 的另一物体的过程。 • 常见现象为：工件本身的加热和均温过程；工件在炉内通 过与炉底板接触部分的换热过程；加热装置外壁温度的产 生；炉内外伸构件（热短路现象） • 本质——物体内部微观粒子的热运动。在气体、液体、固 体中都可发生；但纯粹的导热只在固体中进行。 那么，基于导热的基础上节能途径方式为： ① 降低散热面的温度；合理确定保温层厚度；设法提高层 间热阻； ② 合理选材或设法降低所用材料的导热系数λ ； 影响导热系数λ 的因素： 材料本质，材料结构孔隙率，容重，材料的物理状态， 湿度，温度
• 开发促进换热的附加装置： • 因为涉及分子运动和界面效应，所以任何 能影响流体分子运动和界面物性的因素都可 能成为我们促进换热，提高换热效率的手段， 例如：电场、磁场、超声波、机械振动；或 者化学方面：各种添加剂，如在冷却介质中 • 余热利用 • 流体热交换后带有大量的热量，往往作为 废气、废液排放（燃料炉的热烟气、淬火液 中的热量…）， 合理利用流体中的余热是 提高综合热效率的重要途径。
2.半成品的必需的热处理过程
热处理过程中的热量传递的时间，空间分布，传热速率等等对工件的 加工和使用性能以及寿命息息相关，如轴类零件表面淬火工艺，淬硬 层影响零件的耐磨性，而内部组织又要保持原有组织的韧度，因而淬 硬层的厚度直接影响了零件的综合性能。下图就是Fe-c合金相图：
结论：在热处理过程中必须控制好材料所处的稳定，运用 传热学知识，得到好的产品。
• 必须指出，传热过程的强化和削弱都必须服从 工艺和设备的技术要求。所以，在工程实际中， 更多的是对传热的控制。 • 在强化传热时，对加热设备和某些结构形式的 工件在加热过程中并不允许加热速度过快，以免 设备损坏和工件发生变形、开裂；所以，在由于 强化传热而缩短加热时间时，要考虑不同的材质 （成分和组织控制——组织转变动力学、扩散动 力学相适应），保证工件得到合适的加热组织； 设备加热能力的强化要考虑设备设计时的传热学 结构特点，各处结构和所用材料能否适应？ • 在削弱传热时，如何选用合理的结构，和合适 的保温材料，设计合适的保温层厚度要统筹考虑。
6.节能的传热学途径 （基于导热、对流、辐射）
• 总体概述：传热学是研究热量传递规律的一门科学， 它在解决许多工程问题中得到了非常广泛的应用。在研 究节能问题时，通过传热学寻找合适的途径是最根本的 措施 • 在研究节能中的传热学问题时，一般可以分成两种类 型： • 一类是强化传热过程的问题。比如，如何使工件快速 而均匀地达到加热要求，即尽可能地提高热效率，减少 能源的浪费。 • 另一类就是力求削弱传热，比如：各种加热炉的热量 尽可能少地向外界传递或散失，其他各类保温措施也都 属于此类。从节能观点来看，就是减少能量的无谓支出。
二、关于对流的回顾： ①流体的起因 强制对流：流体在机械力或其它压差作用下产生 的流动；
自然对流：流体在浮升力作用下产生的流动。
②流动的形态 层流还是紊流
掠过平壁时流动边界层的形成和发展
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③流体有无相变 气--液相变(气化) 液--气相变(冷凝) ④换热面的几何状况
⑤流体的热物理性质
总之： h f (u, l, , , cp , 或， )
3.机械加工以及金属加工的传热学应用
①金属切削刀具的散热问题与刀具的强度决定了刀的使用寿命和被加工表面的质 量与加工精度。金属切削加工时，材料弹性和塑形变形做的功以及前后刀面 与工件表面的摩擦做功产生的热量都需要通过切屑、工件、刀具和周围介质 散失到环境中，而切削刃的磨损情况与散热的快慢最为密切。当工件材料或 者刀具材料的导热系数大时，切削区散热良好，刀具的磨损减轻，使Байду номын сангаас寿命 较长，反之，刀具因温度过高发生组织性能转变，磨损加剧，因而需要使用 不同的切削液来加快散热，延长刀具寿命。 ②刀具的散热影响了切削用量的选择，进而影响加工表面的质量，通过对刀具切 削区温度场建立传热模型进行分析，可以更合理的设计刀具结构和选择切削 量，从而提高零件的加工精度，这方面在超精密加工中显得尤为重要。
• ③ 减少散热面积； • 直观的节能措施。在相同的体积或容积下，圆 形截面比方形截面的表面积小，球形表面积比圆柱 形表面积小——新的设计思路； • 反之，为了提高换热效率（或散热效率）则希 望增大换热面积，如各种散热器、空气预热器等的 肋片、翅片等。 • ④ 合理的保温层材料、结构和厚 • ⑤ 设法减少热短路现象；
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那么：基于对流方式的节能途径是： • 加大换热温差 • 可明显提高换热效率，但实际操作有一定难度。 主要要考虑有哪些场合涉及流体加热或冷却。 • 提高流体流速，增加紊流程度 • 注意控制流体与受热（冷却）面的相对运动方 向 • 设计合理的有利于流体运动的截面形状 • 例如炉膛形状，不仅影响散热面积，而且影响 换热效率， • 设法增大换热面积 肋片、翅片、排管… 炉膛内工件的合理堆放…
1. 机械材料制备中与传热学关系密切
对于应用广泛的铸造来说，浇注过程中的温度控制 和铸件冷却过程中的热量传递直接影响了铸件内部 晶相组织的结构和相应的切削加工性能与使用性能， 以及铸件的表面质量高低。下图就是一个典型的铸 造过程及铸造出的零件。
结论：严格控制浇注温度、浇注速度是获得 合格铸件的前提
三、基于辐射的节能途径： • ① 利用反射原理——真空炉；隔热屏 • ② 对高温炉，设计时适当增加炉口厚度， 提高炉口的遮蔽系数，减少热辐射； • ③ 进出炉作业时，控制炉门开启高度、频 度、时间； • ④ 研究降低表面黑度的外壳涂层。