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传热学在机械制造方面的应用
[ 摘要 ] :传热学是研究由温度差异引起的热量传递过程的科学。 传热现象在我们的日常生活
中司空见惯,早在人类文明之初,人们就学会了烧火取暖。随着工业革命的到来,蒸汽机、
内燃机等热动力机械相继出现,传热研究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, 国与国之间的竞争是经济竞争. 而伴随着经济的高速
发展, 也带来了资源、 人口与环境等重大国际问题, 传热学在促进经薪发展和加强环境保护
方面起着举足轻重的作用。 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。
[ 关键词 ]: 热传递,传热学,机械领域,发展趋势
1 传热学
传热学概念
通常被称为热科学的工程领域包括热力学和传热学 [1] 。传热学的作用是利用可以预测能
量传递速率的一些定律去补充热力学分析, 因后者只讨论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。 传热学是研究不同温度的
物体或同一物体的不同部分之间热量传递规律的学科。 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、 确定换热器的传热面积和控制热加工时零件的变形等, 都是典型的
传热学问 [2] 。
传热学发展
传热学作为学科形成于 19 世纪 [2] 。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 年又为玻耳
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。 传热的基本方式有热传导、热对
流和热辐射三种。
2 传热学与机械
现代的机械加工工艺 [3] 已经不再限于传统的车、铣、刨、磨等,像激光切割、激光钻孔
这类高热流的新型加工手段已经应用于石油钻井等有特殊要求的场合, 而且取得了良好的效
益,这类特殊加工方式所涉及的热量传递问题不能再用传统的导热理论来分析, 必须加入对
热量传输