传热学在机械工程中的应用

HarbinInstituteofTechnology

传热学课程报告

报告名称：班

作

学

时级：者：号：间：

指导老师：

哈尔滨工业大学

一、传热学简介

传热学是研究在温差作用下热量传递过程和传递速率的科学，大约在上世纪30年代，传热学形成一门独立的学科。传热学研究不同温度的物体或同一物体的不同部分之间的热量传递规律，不仅是研究自然现象，而且广泛应用于工程技术领域。例如，锅炉和换热设备的设计以及为强化传热和节能而改进锅炉及其他换热设备的结构；化学工业生产中，为维持工艺流程温度，要求研究特定的加热、冷却以及余热的回收技术；电子工业中解决集成电路或电子仪表的散热方法；机交通运输业在冻土地带修建铁路、公路；核能、航天等尖端技术中也都存在大量传热问题需要解决；太阳能、地热能、工业余热利用及其他可再生能源工程中高效能换热器的开发和利用。因此，传热学已是现代科学技术的主要技术基础科学之一。传热学的成果对各部门技术进步起了很大的促进作用。

在机械工程中，传热学得到极为广泛的应用。械制造工业测算和控制冷加工或热加工中工件的温度场；浇铸和冷冻技术中研究相变导热；切削加工中的接触热阻和喷射冷却；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等。

二、浇铸过程中的传热学应用

在机械制造中，铸造是常用的成形方法，而浇铸是铸造中很重要的工序。每一种合金都有一定的浇铸温度范围，例如铸钢为1520~1620℃；铸铁为1230~1450℃；铝合金为680~780℃。因此，浇铸过程中需要合理控制铸造温度。而检测铸件浇铸过程中的表面温度需要用到传热学知识。

利用红外线测温技术并结合导热与对流耦合反问题求解，可以得到浇铸过程表面温度红外监测情况反推铸件凝固温度的方法。

以铸造黄铜板为例：铜液瞬间充满型腔；铜液及铸件的初始温度各自均匀；铜液内无自然对流；铸型外部两表面与周围环境之间的换热包括自然对流与热辐射，换热系数分别为hc和hr，总传热系数h hc hr；铜液在固定的凝固点ta下凝固。这样，问题简化为双层平板的一维非稳态导热与对流及辐射的耦合问题。由于铸件换热是关于中心线对称的，仅对一半区域计算即可。坐标原点选择在铸件的中心线上，设铸型的厚度为 1，铸件的半厚度为 2，则问题的数学描述为

t 2t ,0 x 2 c x2

0,t t1,0 x 2

0,t t2,

1

问题的图像表示如图1

。 t 0,x 0 x t h(t tf),x 1 2 x

图1.由于铸件是竖直放置的，自然对流热准则方程式如下：

Nu 0.59(GrPr),Gr

铸件与空气的自然对流换热系数为hc 14g TL3 2Nu '。当铸件放在客气中不久，温L

度降低不多时，可用下式计算铸件与周围环境的辐射换热。

hr (To4 Tf4)

T

实验证明，对不同的铸件材料，通过改变铸件的具体特征参数，并将其输入程序进行模拟计算直至收敛为止，可以推算出不同材料铸件的凝固温度和凝固时间。该方法即可节约现场反复试验花费的人力物力，又可以节约时间，因此从可用于指导铸件浇铸的生产实践。

三、切削过程中传热学应用

金属切削加工是机械制造中极为重要的制造手段。切削过程中，刀具与工件之间会产生切削热，使刀具和工件升温，带来材料的性能变化，最终影响加工质量。因此在切削过程中往往会加入切削液冷却。利用传热学的知识，可以研究切削液在金属切削过程中的作用机理，建立切削液冷却模型，得到传热参数对切削热传输的影响，在此基础上确定切削液供给的最佳方位。

研究表明，切削液加入切削区后，能提高切削区热表面与外界的对流换热能力，从而降低该区域的温度。然而，仅仅将切削液加到欲降温的区域是不合理的。比如为了减小刀具前刀面的磨损，经常将切削热加入切屑和前刀面的交界处。此时由于前刀面与外界的传热能力提高，第二变形区切削热传入刀具的比例增大，这对降低前刀面的温度不利。如果在将切削液加到前刀面处的同时再加到切屑的上表面或刀具的后刀面上，前刀面的降温效果就会好些。

在选择切削液的加入方式以起到冷却作用时，应考虑到切削液的加入对热量分配系数的影响。如果将切削液同时加入切削区的不同位置，则会引起热量分配系数变化不大，而不同切削区边界的散热能力都得以提高，从而在工件、刀具及切屑三方面均起到降温作用。

在切削过程中需要对温度进行监控，有热电偶法、辐射热计法、PbS电池法、锗光电二极管法、红外线干板法、热敏颜料法、热电阻法、量热计法等，都要用到传热学的知识。

四、机械系统的散热

机械系统中有机械构件和电气元件，需要设计专门的散热器。

如汽车散热器是汽车冷却系统中不可缺少的一个组成部分，其性能的好坏对发动机的动力性、经济性和可靠性有很大影响。带有百叶窗的散热器具有切断散热带上的气体边界层的发展、减薄边界层厚度、提高散热器性能的作用。目前国内散热器产品中，开百叶窗的散热带及管状带式散热器产品所占的比例明显上升，产品结构向紧凑、高效、低耗、轻量化方向发展。

近年来，随着计算机处理器（CPU）逐渐朝着小型化、高功能化和高频化发展，相对的，其单位面积所散发出的热量（发热密度）越来越高，因此电子散热的问题也越来越严重。为了避免热量累积导致温度过高而损坏微处理器，通常在

CPU上加装散热器，并以风扇强制空气对流而增加其传热。

五、参考文献

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