传热学在传统工业和农业领域中的应用

传热学在传统工业和农业领域中的应用摘要：自从18世纪30年代发明近代动力机械以来，人类的生产力出现了质的飞跃，生产水平跨上了一个个新的台阶。随后的蒸汽轮机、内燃机乃至燃气轮机的陆续应用则更使能源的转换和利用技术达到了前所未有的崭新阶段。这个进程至今仍在继续当中。传热学科的建立与发展、不断完善和提高是与上述过程相伴而行的。一、在传统工业的应用石油及化工、冶金、建筑一向是工业领域中的耗能大户，其主要工艺过程都涉及到加热或者冷却。我国在这些行业里单位产量或单位产值的能耗是发达国家的数倍。设备陈旧，工艺落后和管理水平低是造成这种状况的基本原因，共中很多问题都与传热有直接关系。(1)在化学和石油化学工业领域内，使用着大量各式各样的传热和传质设备。从一定意义上说，该领域是换热设备门类最齐全、形式最多的一个行业。许多化工工艺流程中都包含各种加热器和冷却塔，还有一些化学反应本身就是生热或吸热过程。在稠油的“热采”，原油的炼制和油品的远距离输送以及化纤、化肥的生产工艺中，传热都是非常关键的因素。因为油自身物理性质的关系，它的对流换热表面传热系数往往比较低，所以强化油侧的对流换热具有非常大的经济效益。化工传热过程往往具有如下一些基本特点：1、参与换热的介质成分多而复杂，一般都在三四种以上；2、常常与传质过程结合在一起；3、经常涉及多相流(汽液、气固、液固，甚至汽液固三相)和非牛顿流体。冶金工业的总能耗占全国工业总能耗的大约15％，其中炼铁、轧钢和有色金属的电解冶炼等是耗能最多的部门。冶金工业中存在大量高温加热或燃烧过程，要提高现有设备的热利用率，同时积极开发新的节能、节水型设备，不断提高余热，尤其是在冶金工业中占据重要地位的高温固态余热(如固态炉渣、红焦等)的利用水平，都离不开传热学的基本原理和有关知识。例如，若把大量采用的水冷却改为蒸发冷却，不仅可以大幅度提高余热资源的品位，而且还能大量节水，并消除对周围水域的热污染。再如轧钢加热炉，国外先进设备的送风温度达到650℃以上，热效率为62％。而我国加热炉较高的风温才500℃多一些，大量的在300℃以下，热效率仅40％左右。要想降低燃料消耗，提高热效率，就必须设法回收加热炉的高温气态余热资源，这只有通过根据传热原理设计制造出各种高效适用的余热回收装置才能实现。（2）在建筑和建材工业领域里，建筑物的节能、采光和通风等均与传热关系很密切。建筑材料像水泥、建筑砖瓦、玻璃和卫生陶瓷等，大量使用高温炉窑焙烧工艺，能耗极高而能效很低。问题主要出在排烟温度过高(很多水泥窑的排烟温度仍在800℃以上)，产品出炉时的余热未予利用(水泥熟料出炉时的温度达到1000—1300℃！每公斤水泥熟料有800kJ可利用的余热)以及炉窑保温不良，热泄漏严重等几方面。要解决这些问题，同样必须运用传热原理改造或更新现有设备，同时大力推广采用新型绝热材料。空调制冷和集中供热行业基本上和能源工业一样，属于传热学科唱主角的一个领域。增大制冷剂的沸腾、凝结表面传热系数，研究有关的强化传热技术和强化元件的制造工艺始终是提高制冷机组性能的关键。从20世纪80年代初引进国外的先进技术和产品开始，现在国内不少厂家已经掌握了多种用于各类制冷机组上的强化沸腾或强化冷凝传热表面和元件的制造工艺，如多孔表面沸腾管，单面或双面强化冷凝管，以及波纹板式紧凑型蒸发器、冷凝器等。特别值得提出，随着对大气层和生态环境有害的氯氟烃类制冷剂的停产停用，对新制冷工质，尤其是混合工质的传热性能的研究显得相对薄弱。集中供热以其高效率、可靠性和清洁无污染赢得了越来越大的市场，供热管网的隔热保温材料和技术、高效换热设备、防腐措施、流动减阻和独立热计量等问题变得日益突出。它们大多数都与传热有很密切的关系。其他行业如机械、电子电器、交通运输、纺织、食品轻工、医药等也都在不同程度上和传热有着相当密切的联系。二、农业领域中的应用(1)在铸造、焊接、金属热处理等常规机械加工工艺过程中，存在大量的非稳态导热、移动边界的固液相变传热以及各类对流换热问题。在精密机械和精密仪器的制造和使用过程中，热应力和热变形量的预测、修正及控制也同样有赖于传热原理的指导。(2)无论强电或弱电，元器件的有效冷却和设备的更新换代(提高质量并大幅度地缩小体积)都与强化传热研究有关。例如大型发电机的转子、定子绕组和定子铁心的冷却就是典型的对流传热问题。近百年来单机容量从几万干瓦扩大到百万千瓦，很大程度上是靠冷却技术的不断改进得以实现的，从空冷、氢冷发展到水冷，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。在全世界范围内，电能的大规模储存问题尚未得到解决，而现实中电网的峰谷差(即用电高峰和低谷的电功率差)却日益增加。当前解决这个问题的现实手段是储能，即储热或者储冷。世界各国都在大力发展各种相变储热材料(phasechangematerials，简称PCM)。要想有效地储存冷量或者热量，并在需要的时候将其释放出来，就必须把PCM的物理性质和传热特性彻底弄清楚。这种储能技术在太阳能发电、冷暖房以及航天飞行器的散热方面也有相当重要的应用价值。(3)纺织行业中除了生产场地对温度和湿度有严格的要求以外，有的生产工序也直接用到传热学的原理。如近年使用越来越广泛的无织布，在它的加工过程中要经过“热定型”工序。这是一个针对多孔体材料的包含导热、对流及辐射换热的复杂过程，对温度和时间的控制要求相当严格。在这个领域内至今尚缺乏比较成熟的理论指导。近年甚至还出现了将织物与相变材料结合在一起的所谓保冷保暖服装。(4)一般认为，土木水利工程领域属于水力学、结构力学方向的问题，与传热没有直接的联系，其实不然。如水利工程中的大坝要耗费成百上千万吨的水泥，而水泥浇注后的固化过程是一个生热过程，掌握并控制水泥浇注时的温度以及随后固化过程中温度的变化，对消除坝体内的热应力，减少甚至消灭内部裂纹，对保证工程质量和大坝的长期安全有极其重要的意义。国外已经研制了针对大型混凝土工程的热应力分析专用软件。(5)寒冷地区的近海石油钻井平台在冬季会受到水面结冰给平台结构带来的威胁。要保证钻井平台的安全，就必须研究气候突然变化引起的水面冻结的规律。这同样是典型的传热问题。(6)在农业领域里，就目前水平而言，自然光照和气象条件仍然在很大程度上左右着农作物的收成，而天气状况与传热的关系是非常大的。除气象条件以外，对农作物影响最大的因素莫过于水和肥，它们均通过土壤被作物吸收。土壤是一种典型的多孔介质，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—。现在大量采用的大棚和地膜覆盖技术也是应用传热原理的结果，更不用说农业机械、农产品加工、保鲜、储存等方面都离不开传热原理。未来的农业必然朝着工厂化生产方向发展，将把生物遗传工程、人工气候环境、信息与自动控制等技术结合起来，传热学在其中也必将发挥重要的作用。参考文献[1]彦启森，建筑热过程，1998年[2]秦大成，北京生物医学工程，1992年，9期，43页[3]徐云生，生物传热学基础，1990年[4]阎郁，金属热处理，1984年，4期，1页[5]袁发荣，机械工程学报，1986年，22卷，3期，96页