傳熱學(xué)在高新技術(shù)領(lǐng)域中的應(yīng)用

張睿捷　秦慶森　張宇威　馮勇杰　程素敏

摘 要：熱能量在環(huán)境中傳遞的現(xiàn)象是無處不在的。它的技術(shù)重要性和其影響幾乎可以遍及我國現(xiàn)代所有的傳統(tǒng)工業(yè)部門，甚至也可以滲透到我國現(xiàn)代農(nóng)業(yè)、林業(yè)等許多領(lǐng)域的應(yīng)用。本文主要介紹了在我國現(xiàn)代航空航天、生物醫(yī)學(xué)工程、新一代能源以及現(xiàn)代農(nóng)業(yè)工程等諸多領(lǐng)域的應(yīng)用。傳熱的高新技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到了工業(yè)系統(tǒng)中。傳熱可以準(zhǔn)確地說除了極個(gè)別的應(yīng)用外，很難準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)一個(gè)行業(yè)、部門或者整個(gè)工業(yè)的過程和傳熱完全沒有任何關(guān)系。不僅像現(xiàn)在我國的能源動(dòng)力、冶金、化工、交通、建筑、機(jī)械、醫(yī)藥食品、輕工、紡織等都要廣泛的應(yīng)用到許多工業(yè)傳熱學(xué)的理論以及有關(guān)基礎(chǔ)技術(shù)和專業(yè)知識，而且現(xiàn)在的航空航天、核能、微電子、材料、生物醫(yī)學(xué)工程、環(huán)境工程、新能源等很多的工業(yè)分支應(yīng)用高新技術(shù)的領(lǐng)域也都應(yīng)用到了最新的應(yīng)用傳熱技術(shù)和研究成果，并且逐漸發(fā)展出了一些像相變與多相流高溫傳熱、（超）與多相流低溫傳熱、微尺度與高溫傳熱、生物化學(xué)傳熱等許多互相交叉的工業(yè)分支應(yīng)用傳熱技術(shù)學(xué)科。

關(guān)鍵詞：傳熱學(xué);高新技術(shù);應(yīng)用

1 前言

傳熱學(xué)實(shí)際上是專門研究人和物體溫度的差異效應(yīng)引起的人和物體熱量溫度傳遞運(yùn)動(dòng)規(guī)律和過程的一門應(yīng)用科學(xué)和技術(shù)。早在遙遠(yuǎn)的新石器時(shí)代，人們就已經(jīng)基本掌握和學(xué)會(huì)了如何在干燥的空氣中進(jìn)行燒火和取暖。隨著工業(yè)革命的到來，蒸汽機(jī)、內(nèi)燃機(jī)等熱動(dòng)力機(jī)械相繼的發(fā)明和出現(xiàn)，傳熱技術(shù)的應(yīng)用和研究更是在現(xiàn)代工業(yè)中也得到了飛速的發(fā)展。現(xiàn)代工業(yè)中的傳熱學(xué)實(shí)際上也就是專門用于研究各種物體的結(jié)構(gòu)及其熱量溫度和其傳遞方式及其運(yùn)動(dòng)速度變化規(guī)律的一門學(xué)科。隨著我國傳熱學(xué)的理論體系日趨完善，工業(yè)傳熱研究領(lǐng)域是工程技術(shù)研究應(yīng)用領(lǐng)域的一門重要學(xué)科。傳熱的基本工作原理主要分為熱傳導(dǎo)、熱對流和熱輻射三種。

2 在航空航天領(lǐng)域的應(yīng)用

人類在宇宙空間取得的巨大創(chuàng)新技術(shù)成果，是對當(dāng)今世界上各種應(yīng)用領(lǐng)域高技術(shù)、新一代材料的應(yīng)用和研究最集中的科學(xué)技術(shù)成果的體現(xiàn)。其中傳熱學(xué)所能夠起的重要作用功不可沒。據(jù)目前我們對美國航行器工業(yè)技術(shù)監(jiān)督管理局（nasa）所作的熱防護(hù)大氣系統(tǒng)技術(shù)的研究和報(bào)告的分析，美國民用和航天飛機(jī)的熱防護(hù)大氣系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵是大推力的液氫一液氧火箭噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，而另一個(gè)民用航天飛機(jī)熱防護(hù)技術(shù)的發(fā)展關(guān)鍵是一個(gè)所謂”熱防護(hù)系統(tǒng)”（tps），即它就是一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)安裝在民用航天飛機(jī)外表面的一個(gè)防熱瓦斯的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)為主的整個(gè)熱防護(hù)大氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。它被廣泛地視為美國航天飛機(jī)熱防護(hù)成敗的技術(shù)關(guān)鍵。之所以把熱防護(hù)系統(tǒng)的作用提到如此重要的技術(shù)地位，是由于目前美國的航天飛機(jī)極端復(fù)雜的環(huán)境以及傳熱學(xué)要求該飛機(jī)的防熱系統(tǒng)必須完全能夠重復(fù)使用造成的。為了有效地保證跑道上飛行時(shí)我們能夠保證我們飛行安全內(nèi)部的所有因素包括飛行人員、設(shè)備和所有飛行環(huán)境都能夠安全不受任何的傷害和干擾，必須及時(shí)地研究采取特殊有效的熱防護(hù)處理技術(shù)措施。為此先后成功地推出了較早研制成功并正式開始生產(chǎn)并投入使用的第一代超級氧化硅低溫超級陶瓷玻璃防熱瓦（lrsi）li一900，第二代氧化硅高溫超級氧化硅陶瓷玻璃防熱瓦（hrsi）li一2200以及較晚研制成功的由超級氧化硅高溫陶瓷玻璃纖維和超級氧化鋁高溫陶瓷玻璃纖維等多種陶瓷復(fù)合材料玻璃纖維組成的第三代超級氧化硅高溫超級陶瓷瓦。htp是這一超級陶瓷玻璃防熱瓦系統(tǒng)的主要制造技術(shù)和生產(chǎn)核心。

3 在生物醫(yī)學(xué)工程領(lǐng)域

我國生物領(lǐng)域的傳熱學(xué)是近年才開始逐步發(fā)展起來的，.雖然遠(yuǎn)還沒有達(dá)到完善的臨床科學(xué)，但卻顯示出強(qiáng)大的研究和科學(xué)應(yīng)用技術(shù)的生命力和應(yīng)用科學(xué)成果以及技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展前景.它在醫(yī)學(xué)上是由分子生物學(xué)、臨床醫(yī)學(xué)和生物傳熱學(xué)多個(gè)學(xué)科和領(lǐng)域交叉發(fā)展形成的一門新學(xué)科，其研究目的和意義就在于通過把生物傳熱學(xué)的各種基本原理和先進(jìn)的臨床醫(yī)學(xué)技術(shù)研究應(yīng)用到了研究分子生物和臨床醫(yī)學(xué)中，探討各種化學(xué)物質(zhì)和組織在人體中的各種化學(xué)反應(yīng)以及能量在一個(gè)特定生物體內(nèi)的傳輸和運(yùn)動(dòng)的規(guī)律。其中比如治療人體器官、組織及其皮膚細(xì)胞癌變的熱診斷及手術(shù)治療激光和冷凍超低溫的皮膚外科手術(shù)。目前我們需要研究各種新型的生物化學(xué)器官傳熱的困難之處主要是在于我們需要深入研究各種新型生物化學(xué)應(yīng)用的器官，它們一般是各向異性體，又是多相體、多孔體，同時(shí)還存在因環(huán)境和其他生物新陳代謝變化過程產(chǎn)生的內(nèi)部傳熱源。生物體內(nèi)的主要熱源具有很多巨大的毛細(xì)血管，要確定因血液快速灌流導(dǎo)致的各種熱量產(chǎn)生和傳遞方式是非常困難的。而且?guī)缀鮽鲃?dòng)動(dòng)物生所有的動(dòng)物、甚至一些野生植物都必須具備能夠通過中樞神經(jīng)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行感知和控制調(diào)節(jié)自身環(huán)境溫度的生理能力，這是一套極復(fù)雜的人體溫度的傳感和控制的體系。

4 在新能源領(lǐng)域

隨著我國航天技術(shù)發(fā)展水平的不斷進(jìn)步，低溫超導(dǎo)換熱系統(tǒng)的技術(shù)和其他領(lǐng)域的超導(dǎo)技術(shù)變得日益重要起來。在新一代航天器的開發(fā)設(shè)計(jì)和制造以及未來的航天器在地面的模擬和太空監(jiān)控探測裝置等新一代超導(dǎo)技術(shù)的研究和開發(fā)應(yīng)用方面，均有可能因?yàn)樾枰罅康难芯亢蛻?yīng)用而涉及到超導(dǎo)換熱技術(shù)的低溫超導(dǎo)換熱系統(tǒng)的技術(shù)和其他各種技術(shù)以及相應(yīng)的超導(dǎo)技術(shù)裝備。同時(shí)考慮到未來超導(dǎo)高效換熱技術(shù)的前景和未來氫氣電池作為清潔可再生能源已經(jīng)成為航天車輛的主要燃料，低溫?fù)Q熱技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用覆蓋范圍將更加廣闊。僅就目前我國航天超導(dǎo)技術(shù)發(fā)展關(guān)鍵階段的主要超導(dǎo)低溫?fù)Q熱技術(shù)的研究和應(yīng)用一航天火箭車輛制造方面而言，對于低溫?fù)Q熱的材料和其他超導(dǎo)技術(shù)水平的要求已經(jīng)相當(dāng)高。此外，從航天火箭地面軍車制造到大型的航空軍艦、飛機(jī)、衛(wèi)星都已經(jīng)離不開各種類型的高效換熱的系統(tǒng)和設(shè)備。

參考文獻(xiàn)

[1]楊世銘，陶文銓.傳熱學(xué)（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]杜廣生主編，工程流體力學(xué)，中國電力出版社， 2005年1月.

[3]侯亞芹，司建偉，污水源熱泵的研究進(jìn)展，建筑節(jié)能，2010，38（10）：25-26