传热学研究新领域

传热学研究中的某些前沿问题SomeAdevancesinHeatTransfer数理学院可再生能源科学与工程内容提纲一当前传热学发展的重要趋势二非平衡传递过程——传热学研究的新领域三传热学与其他学科的交叉与融合四先进能源系统中的传热新课题五结束语一、当前传热学发展的重要趋势传热学是一门研究由于有温度差异而引起的能量传递过程的规律及其具体应用的学科。传热有三种在本质上互不相同的基本方式:热传导(导热)、热对流和热辐射。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。大型发电机的转子、定子绕组和定子铁心的冷却就是典型的对流传热问题。水利工程中已经研制了针对大型混凝土工程的热应力分析专用软件。多孔介质，多扎体材料中的热、质传递规律是当今传热学研究的热门课题之—第四代反应堆的熔盐堆熔盐堆的基本原理为堆芯使用Li、Be、Na、Zr等的氟化盐以及溶解的U、Pu、Th的氟化物熔融混合作为燃料，在600~700℃和低压条件形成熔盐流直接进入热交换器进行热量交换。其中，LiF、NaF、BeF2、ZrF4为载体盐，提供熔融载体并改善共熔体的物理化学性质;UF4和PuF3为裂变燃料，产生热量和中子;ThF4和UF4为增殖燃料，吸收中子产生新的裂变燃料U或Pu，在线萃取处理后重新进入反应循环。一座熔盐反应堆生产的燃料在运行几年以后还可以重新再装备一座新的反应堆，具有极高的经济性。同时由于燃料的直接热交换方式使其具备可以小型化的优势，从而具有为舰船和航空器上提供动力的光明前景。航空航天：在航空航天领域，航天飞机表面材料要求绝热良好；卫星上装有的太阳能吸收装置能提供卫星工作所需的部分能量。生物医学：传热学广泛应用于激光手术、移植器官冷冻储存、疾病热诊断等技术中。计算机领域近年用于高端服务器和桌面工作站的新型空气冷却装置的冷却能力也已经达到l05w／m2。传热学的应用加强了芯片的散热。太阳能、地热能、海洋能、氢燃料电池、磁流体发电乃至可控核聚变为代表的新能源等的开发和利用与传热学有着密切的联系。太阳能热泵复合热水系统太阳能子系统主要由太阳能集热器、恒温水箱、集热水箱、集热循环泵、供水泵、集热管路部分、供水管路部分、控制系统等构成。其中控制系统一般是由传感器部分、控制器部分和执行设备组成。热泵子系统主要由压缩机、套管式换热器、膨胀阀和蒸发器等组成。能源与环境问题面临着新的挑战，传热作为能源动力系统的基本过程之一，传热部件性能的优劣直接影响系统效率、安全性及可靠性。因此，国际学术前沿将传热学与其他学科进行交叉融合。同时，机械工程仍不断地向传热学提出大量新的课题。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。二、非平衡传递过程——传热学研究的新领域傅里叶效应传统的经典传热即在稳态且时间无限长或非稳态热传播速度较快时满足傅里叶定律，其中隐含的条件就是热传播速度无限大的假设。非傅里叶效应但是当介质在非稳态传热时遇到极端高低温条件以及微时间或空间传热时，将不再满足传统的傅里叶定律，原因就是此时的传热时间不能忽略不计了，因此出现了非傅里叶效应。它在很多工程领域可以用到，比如核反应堆及高温熔融材料泄漏的紧急处理、强激光武器反射镜的温控、造纸工业的脉冲干燥等。非傅里叶效应非傅里叶定律：要满足修正项大，必须满足：1.松弛时间τ大。多孔材料和生物质材料τ要长很多；在低温下τ将延长。2.要高，即在微时间尺度和高热流作用下更容易产生非傅里叶效应非傅里叶导热现象表面遭受温度突变时球体内无量纲温度随无量纲时间的变化（松弛时间）红外测温技术的研究在微尺度条件下对温度的测量也是现代科学比较关注的话题，传统的测温方法是通过接触测量，例如热电偶和热电阻，但对于微小物体的测量通过施加接触热阻以后会明显改变物体的温度分布，影响测量的精准度。采用非接触测温技术，如利用红外成像仪来测量微管外壁热量，可以解决以上问题。红外成像仪红外成像仪红外成像仪是利用被测物体表面所发出红外线的强度来感知被测物体温度大小的。红外成像仪感受物体发出红外线的强弱除受到其表面温度影响外，还受到物体的表面材质、表面状况、被测物体大小、镜头离物体距离等因素的影响。微纳米传热微纳米传热与流动的尺度效应表现为：连续流动假设不再成立，N-S方程和傅里叶定律被打破支配力变化，面体比非常大，表面影响变得非常重要尺度效应导致：Nu~Gr1/4变为Nu~Gr1/3微管长比径很大，在相同的Re时，M数增大，流动不能完全发展，Nu大大增加表面粗糙影响大大增加分子模拟从分子——原子水平模拟对象的微观状态与宏观性质MC(MonteCarlo)方法通过实现与某种特定概率相一致的系统位形的随机变化，经统计计算求得系统的热力学和理化参量，具有随机性，适用于计算状态量。MD（MolecularDynamics)方法通过求解受分子间力和外加系统作用的分子牛顿运动方程，计算系统中分子的时间演进量，具有确定性，适用于计算输运量。MD的基本步骤前期处理：确定初始位置、速度和边界根据分子间作用的势能函数和系统外加约束，求解分子间的牛顿运动方程，计算分子间作用力、速度、位置及其随时间演进的微观过程统计计算系统的宏观参数：动能、内能、温度、压力等大规模MD计算用8000~16000个分子进行蒸发与凝结过程的MD计算发现在较低温度下在边界附近存在局域热力学非平衡区。用128个CPU处理器进行106个氩分子流体气泡成核过程的大型并行计算首次揭示了均质核沸腾中，气泡是由过热液体中密度涨落形成的低密度气核逐渐生长形成的。微尺度热输运自激震荡流热管微型热驱动三传热学与其他学科的交叉与融合微尺度医学工程揭示了温度对生命活动的作用规律以及其他物理因素（电、磁、声、光）对热的协同作用。生物工程的多尺度热效应纳米：分子与磁性颗粒5-100nm微米：细胞5-20μm宏观:肿瘤等＞20mm癌症的冷热交替疗法纳米药物与热分子马达当药物颗粒＜100mm时，可提高靶效率用热分子驱动马达（10nm）驱动蛋白，血管清道夫将纳米颗粒绑在DNA的特定部位，用电磁场控制其局部温度和生殖过程与生物医学的其他交叉活体保存与移植生物质材料干燥与超临界萃取环境污染与人体健康与材料科学的交叉-金属快速凝固法枪法工作原理如右图所示。枪法-由于熔滴的速度很高，像子弹一样，所以被称为枪法。工艺适用性：适用于中性或不易氧化金属的快速凝固。模冷技术-“枪法”模冷技术-双活塞法双活塞法工作原理如右图所示。小于1g的母合金在感应器1中加热融化，熔滴2下落；当熔滴2挡住光电管的光束时，光点线路启动纯铜双活塞相对运动的驱动装置，使活塞迅速收合，挤压熔滴，使之凝固成薄片。模冷技术-熔体旋转法熔体旋转法工作原理如右图所示。工艺适用性：适用于中等活性或者是不易氧化的金属。熔体旋转工艺的发展：双辊熔体旋转法；真空熔体旋转法；离心熔体旋转法；旋转翼急冷淬火法。与材料科学的交叉-热电材料概念：热电材料是一种能将热能和电能相互转换的功能材料，1823年发现的塞贝克效应和1834年发现的帕尔帖效应为热电能量转换器和热电制冷的应用提供了理论依据。材料分类(1)碲化铋及其合金：这是被广为使用于热电致冷器的材料，其最佳运作温度450℃。(2)碲化铅及其合金：这是被广为使用于热电产生器的材料，其最佳运作温度大约为1000℃。(3)硅锗合金：此类材料亦常应用于热电产生器,其最佳运作温度大约为1300℃。与信息科学的交叉-纳米计算机概念：微型发动机，纳米发动机从各角度来量都不超过1微米，很适合在人体细胞内工作。应用：纳米发动机是第一款能控制药物释放的机器，这有助于促进药物递送、细胞间通讯的研究。此外，纳米发动机有望进入纳米电子机械系统(NEMS)领域，将机械控制与化学传感整合在一起，开发能效更高、物美价廉的微机设备。与信息科学的交叉-纳米计算机概念：微型换热器，微型换热器及微型散热器是体积小、单位体积换热面积大的一种超紧凑式换热器，与普通换热器相比，微型换热器的主要特点在于单位体积内的换热面积很大，相应地，其单位体积传热系数高达几十到几百MW／(3mK)，比普通换热器要高1—2个数量级。应用：微型换热器在微电子、航空航天、医疗、化学生物工程、材料科学、高温超导体的冷却、薄膜沉积中的热控制、强激光镜的冷却，以及其他一些对换热设备的尺寸和重量有特殊要求的场合中有重要的应用前景。与信息科学的交叉-纳米计算机概念：微型反应器又被称为微型加氢反应器，微型磁力高压反应器。具有耐高温、耐腐蚀、生产能力强等优点，它适用于进行化学反应时，需要同时测定温度，添加惰性气体,压力，PH值，电导，氧化还原电位的精密化学反应的实验，适用于进行化学反应时，需要同时测定温度，添加惰性气体,压力，PH值，电导，氧化还原电位的精密化学反应的实验。应用：微型反应器，广泛用于医药、饮料、化工、颜料、树脂、科研等工业部门。四、先进能源系统中的传热新课题能否实现能源可持续发展的一个关键因素是可持续能源的综合利用和合理开发，以下介绍2个新课题。燃料电池PART1燃料电池①②③④⑤发电装置燃料和氧化剂贮存在电池外部与环境既有能量交换又有物质交换工作时需要不断的向电池内输入燃料和氧化剂并同时排出反应产物热效率高、噪音低、污染小可以在带部分负荷运行的情况下进行维修除排放低比率碳氧化物外，几乎没有任何其他的有害排放物高效率、无污染、建设周期短、易维护应用范围极广是汽车最有前途的替代清洁能源适合提供移动、分散电源和接近终端用户的电力供给新型的高效、洁净的新能源技术国际能源领域的研究与开发热点21世纪首选的清洁、高效的发电技术解决环境污染和节约能源的有效途径能量转换装置不需要转换为热能这一中间过程能量转换效率不受卡诺循环的限制理论效率可达80%-90%以上微型燃气轮机PART2微型燃气轮机将一个完整的发电装置集成到一个毫升级立方厘米级的体积内，系统外形尺寸为厘米级,关键部件的特征尺寸为毫米级。为未来野外工作人员提供长时间供能,代替锂离子电池。用作小型备用电源、机动电源或辅助电源,或作灾难或事故的应急备用电源。应用于城市,也适应于边远、沙漠、矿山、海岛或其它需要的地方。为微型飞行器提供动力,还可为微电子机械系统或其他在野外及特殊场合工作的电子设备供电。结构简单、安装简便、燃料适应性强、环保性好、使用灵活、启动快速、维护费用低。采用向心透平、离心式压气机以及回热循环,具有高效率、低、和未燃尽的碳氢化合物排放、体积小、重量轻、适用燃料范围广。五、结论传热学与一些学科相互渗透形成许多重要分支。随着我国能源工业的快速发展，传热学在能源领域起到越来越重要的作用，比如在医疗卫生领域中的红外测温技术、光热领域中的太阳能光热复合系统、纳米能源领域中的微型发电机等，正朝着集成化、多元化、微型化方向迈进。我们有理由相信在不久的将来传热学这门学科将会渗透到我们生活中的各个领域，并在某些关键技术环节起到至关重要的作用。感谢聆听