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传热学与机械制造天津工业南校机械工棍学院孟祥全1331037008摘要自18世圮30年头共创近代动力机横以来，人美的生产力出现了庚的飞武.生产水平常上了一个个新的台阶。随后的蒸汽轮机、内墙机乃至燃t轮机的接连应用则更使能源的转换和利用技表达到了前所未有的扁施阶段，这个进在至今仍在接出当中.传热学是探讨热黄传遗规律的一门学科.传热学与机侬学科联系号密川.传热学科的建立与发展、不新完劣和提高是与上述过秘相伴而行的。热传递现Si更是无时无处不在，它的影响几乎遇及全部的工业部门，也浮选到农业、林业学根多技水部门中。航空航天、祓能、徭电子、材料、生物医芋工程、环境工程、新能,源以及农业工程等由多高新技术领域都在不同包度上应用传热探讨的为新成果。关钺词热传递：传热学；机械领域；发展通为1 传篇学1.1 传熊学的富余通常被称为热科学的工程匆!域包括热力学和传热学.传热学的作用是利用可以预料能求传递速率的一些定律去补充热力学分析，因后者只探讨在平衡状态下的系统.这些附加的定律是以3种基本的传热方式为基础的，即导热、对流和辐射.传热学是探讨不同温度的物体或同一物体的不同部分之间热盘传递规律的学科.传热不仅是常见的自然现象,而且广泛存在于工程技术领域，例如，提高锅炉的蒸汽产量，防止燃气轮机燃烧室过热、减小内燃机气缸和曲轴的热应力、确定换热涔的传热面枳和限制热加工时零件的变形等，都是典型的传热学问".1.2 传络学的形成与发发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定律的数学表达式,不过它并没行搞示出对液换热的机理.时流换热的立正发展是19世纪末叶以后的事情：1901年德国物理学家普朗特的边界层理论和1915年努富尔的因次分析,为从理论和试脸上正确理解和定吊探讨对流换热奠定了基批：1929年，修密特指出了传鲂与传热的类同之处：在热传导方面，法国物理学家毕奥于1804年得出的平壁导热试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，更精确地把它表述为后来称为傅里叶定律的微分形式：热轴射方面的埋论比较困难：I860年，基尔彼夫通过人造空腔模拟肯定黑体.论证了在相同涉度下以黑体的辐射率（黑度）为最大，并指出物体的辎射率与同谓度下该物体的汲取率相等，被后人称为基尔霍夫定律：1878年，斯忒藩出试除发觉辐射率与笆定温度四次方成正比的事实，1884年又为破耳兹曼在理论上所证明，称为斯忒潘-坡耳慈定律，俗际四次方定律，1900年，普朗克在探讨空腔黑体辐射时，褥出了普朗克热箱射定律.这个定律不仅描述了黑体辐射与温度、短率的关系,还论证了维恩提出的黑体能量分布的位移定律。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快速发隈,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海透.形成多相传热、非牛恢流体传热、燃烧传热、等离子体传热和数值计算传热等很多重要分支.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，两相液换热，困难几何形态物体的换热,湍流换热等。随着激光等新的试脸技术的引入和计W机的应用,为传热学的发展供应了广袤前景.1.3地淀传热的基本方式有热传导、热对流和热相射三种.热传导是指在不涉及物质转移的状况下，热量从物体中超度较高的部位传递给相邻的温度较低的部位，或从高温物体传递给相接触的低温物体的过程,简称寻热。热对流是指不同温度的流体各部分由相对运动引起的热量交换，工程上广泛遇到的对液换热，是指流体与其接触的固体壁面之间的换热过程.它毡热传导和热对流综合作用的结果.影响对流换热强度的主要因素行流体流淌的起因、流淌状态、流体物性、流体物相变更、壁面的几何参数等.热辐射是指物体因自身具有温度而轴射出能受的现象，它是波长在0.1100微米之间的电磴辐射，因此与其他传热方式不同，热量可以在没有中间介质的直空中千腌传递。太阳就是以相射方式向地球传递巨大能收的.每物体都具有与其肯定温度的四次方成比例的热辐射实力,也能汲取四周环境对它的辐射热.相射和汲取所琮合导致的热量转移称为幅射换热。实际传热过程一般都不是单一的传热方式，如火焰时炉壁的传热,就是辑射、对流和传导的绘合，而不同的传热方式则遵循不同的传热规律,为了分析便利，人们在传热探讨中把三种传热方式分解开来，然后再加以综合.1.4 应用IW热传递现象无时无处不在.它的影响几乎遍及现代全部的工业剖门，也港透到农业、林业等很多技术部门中.可以说除了极个别的状况以外,很难发觉一个行业、部门或者工业过程和传热完全没有任何关系.不仅传统工业领域，像能源动力、冶金、化工、交通、建筑建材、机械以及食品、轻工、鲂织、医药等要用到很多传热学的有关学问，而且诸如航空航天、核能、微电子、材料、生物医学工程、环境工程、新能源以及农业工程等很多高新技术领域也都在不同程丧上有赖于应用传热探讨的最新成果.并涌现出像相变与多相流传热、（超）低M传热、微尺度传热、生物传热等很多交叉分支学科。在某些环节上,传热技术及相关材料设备的研制开发H至成为整个系统成败的关键因素.科学的工程领域包括热力学和他热学。传热学的作用是利用可以预料能破传递速率的一些定律去补充热力学分析,因后裔只探讨在平衡状态下的系统.这些附加的定律是以三种基本的传热方式为基础的.即导热、对流和相射.传热学是探讨不同温度的物体,或同一物体的不同部分之间热骑传递规律的学科.传热不仅是常见的自然现象，而且广泛存在于工程技术领域.例如,提高祸炉的蒸汽产量,防止燃气轮机燃烧室过热、减小内燃机气缸和曲柏的热应力、确定换热器的传热面枳和限制热加工时零件的变形等，都是典型的传热问题，传热学的应用特别广泛，几乎渗透到生活的各个领域，如：传热学在传统机械工业领域和农业机械领域中的应用，传热学在高新技术机械演域中的应用图.本文将主要介绍其在机械行业的应用.2 传篇学与机械IM造传热学是探讨热量传递规律的一门学科,而机械设计制造及运用的过程中与传热几乎是出影不离的，我们通过机械设在把其他形式的能量游化成我们须要的运动或齐动力，f11.最终那些能最还是要变成热M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.通过对传热学这门课程的学习，了解了传热的基本学问和埋论.发觉传热学是一门基础学科,应用特别泛,它会解决许很多多的实际问遨更是与机械制造这门学科休战相关,传热学是探讨由温度差异引起的热附传递过程的科学。传热现象在我们的11行生活中司空见惯，早在人类文明之初，人们就学会了烧火取暖。随存工业革命的到来，蒸汽机、内燃机等热动力机械相继出现,传热探讨更是得到了飞速的发展被广泛地应用于工农业生产与人们的日常生活之中当今世界，困与国之间的竞争是经济竞争.而伴的蓿经济的网速发展，也带来了资源、人口与环啜等曲大国际间遨，传热学在促进羟新发展和加强环境爱护方面起着举足轻曳的作用.20世纪以的，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快速发展，越来越多地与热力学、流体力学、燃烧学,电极学和机械工程学等一些学科相互渗透,形成多相传热、非牛顿流体性热、燃烧传热、等离子体传热和数做计算传热等很多武要分支.现在，机械工程仍不断地向传热学提出大J1.t新的深Sfi加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.等离子工之中带电粒子的传热特性.核工程中行限空间的自然对流，动力和化工机械中超临界IX换热，小温差换热,两相流换热，用灌儿何形态物体的换热，湍流换热等，的着激光等新的试验技术的引入和计算机的应用，为传热学的发展供应了广袤前景,传热学是探讨热见传递规律的一门学科，生产部门存在的多种多样的热瓜传递问超.都可以用传热学来解决.这些部门包括能源、化工、冶金、建筑、机械制造、电子、制冷、航大航空、农业、环境笈护等。随苻传热学的理论体系日趋完善,内容不断充溢.已经发展为现代科学技术中充溢活力的一门重要技术茶础学科.传热学是探讨不同温度的物体，或同一物体的不同部分之间热麻传递现律的学科.传热不仅是常见的自然现思.而且广泛存在于工程技术领域.例如.提高我炉的蒸汽产量,防止燃气轮机燃烧室过热.减小内燃机气缸和曲轴的热应力、确定换热器的传热面枳和限制热加工时零件的变形等，都是典型的传热问应.热对流是指不同温度的流体各部分由相对运动引起的热网交换.工程上广泛遇到的对流换热，是指流体与其接触的固体壁面之间的换热过程，它是热传导和热对流综合作用的结果.确定换热强度的主要因索是对流的运动状况.热料射是指物体因自身具有温度而相射出能量的现象，它是波长在a）微米之间的电磁辎射，因此与其他传热方式不同，热收可以在没有中间介质的真空中干脆传递，太阳就是以辐射方式向地球f遇巨大能量的。f物体都具行与其将定温衣的四次方成比例的热辐射实力.也能汲取四周环境对它的相射热。辅射和汲取所媒合导致的热曲转移称为粕射换热.实际传热过程一般都不是单一的传热方式，如火焰时炉壁的传热,就是辐时、对流和传炉的综合，而不同的传热方式则遵循不同的传热规律.为了分析便利，人们在传热探讨中把三种传热方式分解开来,然后再加以综合.2.1 传热学与机械以下将4传热学X在机械颗域中的运用分为几个个方面进行介绍。传热学在传统工业机统城和农业机械中的应用(1)在铸造、焊接、金侬热处理等常规机械加工工艺过程中，存在大崎的非稳态导热、移动边界的固液和变传热以及各类对液换热问区.在新烹机械和精密仪器的制造和运用过程中.热应力和热变形量的预料、修正及限制也同样有赖于传热原理的指导：(2)在各类机械限制方面,即在强电或弱电方面的应用.元推件的行效冷却和设备的更新换代都与强化传热探时有关。例如大型发电机的犯子、定子绕祖和定子铁心的冷却就是典型的对流传热问题.近百年来单机容城从几万千瓦扩大到百万瓦，很大程虔上是辎冷却技术的不断改进得以实现的，从空次、氮冷发屣到水冷,冷却技术的进步显著提高了电磁负荷强度和材料的利用率：(3)农业机械是指在作物种植业和畜牧业生产过程中,以及农、备产品初加工和处理过程中所运用的各种机械“农业机械包括农用动力机械,农田建设机械、土壤耕作机械.种植和施肥机械、依物爱护机械、农田排漉机械、作物收获机械、农产品加工机械、畜牧业机械和农业运ft机械等.各种机械的研发设计都离不开工程热力学与传热学这一门学科。2.1.1 在机柿育新技术«10中的应用(1)航空航天领域是当今世界上各领域高技术、新材料探讨最集中的体现.其中传热学所起的作用功不行没.据美国砒空和宇宙航行局(NASA)所作的技术分析，美国觥天飞机的技术大键只有一个半，这半个是大推力的液氯一液氧火海发动机(其中自然与传热有亲密的关系),而那一个关堆则是所请“热防护系统”(TPS),即指以航天飞机外表面的防热瓦为主的整个热防护结构：(2)生勃传热学是近年才发展起来的新兴传热学科分支.虽然远末达到完善的程度，却己经显示出演大的生命力和令人鼓舞的应用前妣，它是由生物学、酶床医学和传热学多个学科兴域交叉形成的一门新学科，其口的在于通过把传热学的基本原理和探讨方法、手段引入到生物和医学工程额域中,探讨物质和能量在生物体内的传输现律.以使为诸多至今末解开的生物医学难题寻求有效的解决方案。在这一领域产生了各种新兴的机械，而这些机械的研发设计都热不开工程热力学与传热学；(3)以化石燃料(煤炭、石油和自然气)为主构成的常规能源终将耗尽，而且己经为期不远“以太阳能、地热能、海洋能(包括海洋疆差和波浪能)以及效率更高的发电方式,如级燃料电池、疏流体发电乃至可控核聚变为代表的新能源总要逐步走向前台，成为人类的主要消费能源.旎源的短缺,促进各种耗能机械朝着节能或者新能源方向发展,每一类新能源的发觉都促进某一-类机械的出现快速发展，而这"新能源机械的出现和发展都与传热学有着亲密的岷系；(4)以计算机芯片为代表的微电子元器件发展快速，的岩芯片体枳微型化，线宽快速下降，芯片表面的热流梆度已羟超过/他卬/"凡因此有“热障”之说.这对微型化高效冷却技术提出了极高的要求。近年用于高端限务器和成面工作站的新型空气冷却装置的冷却实力也己经达到/05w:(5)现代的机械加工工艺已经不限于传统的车、钳、跳、刨，像激光钻孔、微光切割这类高热流、超短时间的新型加，手段已经用于石油钻井管等一些有特别要求的扬合，井取得了良好的技术和经济效益.这类特别加工方式所涉及的热豉传递问题己不能再用传统的导热理论来分析，而必需加入对热传输速度的考虑，这类问SS被称为“非傅里叶导热”。这是在机械生产设备领域的又个里程碑。又如钛及其合金的加工，由于钛及其合金阴传热率低,在其切削加工过程中由切屑的塑性变形、切网与刀具之间的滑动摩擦等产生热量,不能刚好散发,而集中在刀具刀刃上,造成刀具寿命降低.加工质fit差等,其实不仅仅是就合金，像其他,些新材料都有不【可的加工难SS,因此正确选用加工条件，合理运用传热学的理论进行导热,显得极乂重要，不仅可以提高切削加_E速率，廷长刀具和设备寿命,还可提高加工件的加工质依：(6)军事领域里的机械用到的传热学问更是数不胜数.从历史上看相当多的传热技术是从军事用途起先发展并逐步走向完善和大规模应用的.例如战斗机燃气涡轮发动机的技术参数一成代表这领域的最高水平。再如红外掇像装置和传感潞，地早也仅用于军小目的，像侦察用的夜视仪、导弹的红外堪踪寻的奘置等：(7)各种材料的热处理，例如金属材料的战造、佛造、泮火、退火、I可火，还有一些工程电科的注塑成型等都禹不开温度的限制.机械零件的制造离不开以上的几种加工处理手段，而以上的加工方法离不开工程热力学与传热学.2.1.2 机It制造中的传编学应用在机械制造中，工件在制造工艺中的加热、冷却、熔化和凝固都与热量传递休戚相关.传热学有籽它特别的柬要性,工作温度场的测算和限制，不同工作条件、不同材料性质及几何形态对工件图度场变更的影响，工艺中缺陷的分析和防止，无不受到热量传递规律的制的.传热学在保证工之实施、提高产品质量和产Iit等方面起着关犍作用.现在,机械工程仍不断地向传热学提出大出新的课遨，如浇铸和冷冻技术中的相变片热，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_E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.小双差换热,两相流换热.困难几何形态物体的换热.湍流换热等。物着科技的进步和发展，计笄机的高端技术的应用,都为传热学的发展供应了广袤的前景。传热学是探讨热量传递规律的一门学科，而机械设计制造及运用的过程中与传热几乎是形影不岗的，我们通过机械设备把其他形式的佬业转化成我们须要的运动或者动力，但最终那些能鼠还是要变成热扇攸失到环境中去，当然少不了传热学中所讲的Y种方式：对流换热、导热和始射换热.2.1.3 机械材料制备中与传恐学关系亲密机械材料制备中与传热学关系亲密.从机械制造的毛坯起先,金1.非金属等等各种材料中没有那几种是可以干脆察过来用的，以应用最广泛的铸造来说，浇注过程中的汲度限制和铸件冷却过程中的热传递干脆影响了铸件内部晶和殂织的结构和相应的切捌加工性能与运用性能,以及储件的衣面质址凹凸,然后是毛坯或齐半成品的各种必衢的热处理过程，热量传递的时间，空间分布,传热速率等等对工件的加工和运用性能以及寿命休戚相关，如相类零件去面淬火工艺，泮硬层影响零件的耐磨性，而内就组织又要保持原有组织的切度，因而淬硬层的厚度干脆意响了零件的综合性能.工件温度场的测算和限制，不同工作条件、不同材料性筋及几何形态对工件温度场变更的影响,工艺中缺陷的分析和防止,无不受到热量传递规律的制约。2.1.4 机械加工过程中的散焦向JB也是限制制埴业发展的聂因素.金属切削刀具的敢热问即与刀具的强度确定了刀的运用寿命和被加工表面的质量与加工精度.金属切削加工时,材料薄性和整形变形做的功以及前后刀面与工件衣面的摩擦做功产生的热晶都须要通过切加、工件、刀具和四周介质散失到环境中，而切削刃的磨损状况与散热的快慢最为亲密.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，运用寿命较长，反之，刀具因温度过高发生如织性能转变，磨损加剧，因而须要运用不同的切削液来加快酸热，廷长刀具寿命,同时，刀具的散热影响了初期用信的选择,进而影响加工表面的质ht通过肉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，2.1.5 机履设各运用中的传篇向题机械设备运用中的传热问题也是不容忽视的.在机械结构中.摩擦做功产生的热量的散失是影响机械系统运用性能的主要来源,当系统由于温度过高导致零件产生膨胀变形，使尺寸精度降低，从而影响了零件之间的协作关系,在机床中则使系统精度降低，影响工件加工精度，在液压系统中传热问遨更为显著.液压油在系统中与管路的摩擦产生的热量假如不刚好敢失，不仅使传动精度降低，液压油变质，严岐者将使系统镰疾，使设备存在平安般代。传热学通过分析不同条件卜物体中温度分布和热量传递规律，以及不同材料的传热特点，并在热加工工艺和系统设计中合理利用，在保证工艺实施，提高产品质限和产fit等方面起在美港作用.2.1.6 传给学在金属切IM方面的应用金属切削加工时，产生弹性和纸性变形而做功，同时,前刀面与后刀面之间的摩擦也要做功.这些功几乎都转变成热.与此相应,切削时共有三个生热区即剪切面区、切屑与前刀面接触区、后刀面与加工表面接触区。所以切削热来源于切削时所消耗的变形功和刀具与切弼、刀具与工件间的摩擦功。切削热可由切厝、工件、刀具和四周介质传导出去.影响热传导的主要因素是工件和刀具材料的导热系数及四周介质状况.目前.传热学学问在高速切削时切削温度的模拟仿真和利fit方面应用广泛,例如,通过强化准则、流淌准则、金属切削传热模型、接触类型等，并利用有限元的基本思想,建立切削应力场和温度场的有限元模型，进行状态"线性、材料非雄性和几何非线性的热力利合分析，基于大型有限元软件41SJS平台.通过数值仿真技术.将切削过程的应力场和温度场精确而生动地模拟出来.在此基础上分析金属切削过程切屑的形成过程.从而得到了能限切削过程初始状态和稳定状态的应力场和温度场分布，应用人工热电偶法和有限元传热仿我相结合测量乍削温度.有的探讨站建立切削区涉度场的传热模型，刖热源法对剪切热就和刀屑蟀擦热源的逛度场进行理论计尊.得出剪切热源产生的工件和切屑的温度场分布方程和刀屑摩擦热源产生的刀具和切屑的出度场分布方程，最终求出二者共同作用下刀具和切利的温度场分布方程，建立热纵照性有限元模型，运用有限元软件对切捌过程中的温度场进行数值模拟.忠出切削过程中的温度场分布，最高温位集中在刀屑接触面上刀尖旁边的局部区域内.最高温度随子步的变更曲线表明切削的初始阶段.温度上升很快,1.it!莉切削地进行，温度的变更趋于平缓，最终达到柳态，切削达到梗态后,垂直己加工工件表面的温度变更由戏去明只有工件衣面一薄层发生温度变更，工件内部温度几乎不受。从刀超接触面上前刀面的品位分布曲线，可以在出刀具上抽度的最高点并不在刀尖处，而是位于前刀面上距离刀尖不远的地方.在单因素条件下，分别变更切削逑度、切削厚度和刀具前角，得出切削速度、切削原度和刀具前角对切削温度的影响曲线。由此可见传热学模型对分析金属切削温度时很有效且IR要。参考文献:11钱建平.工程热力学与传热学在机械领域中的运用U1.广州：华南农业高校2 杨世一.传热学塞础【M.北京：高等教化出版社.20033 族修生传热学21M需等教化出版社.其次版.1泯It1.赵钺南传热学口】用第教化出版社，2002年7月5 脾家说.葛绍启传热学花悠1审约中的应用【U.中国科学京工和热物理探讨所6 饶云生，生物传热学用Wi【V】,1990年7 稼炳.应用热采技术开发稀油油微.叶片冷却枝术【,中WJr业投.2(I(M181李旦，等主修.机械制造技术培础N】哈尔滨I哈尔滋工业岛校出板社.20099李明艳若.岛速切H1.淞度场的仃限元数也模拟口】.200510刘战强切削温度测量方法综述I.工具技术2002(03)1.iu金胧切IH出境场Sty1.模拟的若干何遛探讨m,合肥工业高校学来(自然科学版2,270)