传热学在高新技术领域中的应用

张睿捷　秦庆森　张宇威　冯勇杰　程素敏

摘 要：热能量在环境中传递的现象是无处不在的。它的技术重要性和其影响几乎可以遍及我国现代所有的传统工业部门，甚至也可以渗透到我国现代农业、林业等许多领域的应用。本文主要介绍了在我国现代航空航天、生物医学工程、新一代能源以及现代农业工程等诸多领域的应用。传热的高新技术已经应用到了工业系统中。传热可以准确地说除了极个别的应用外，很难准确地发现一个行业、部门或者整个工业的过程和传热完全没有任何关系。不仅像现在我国的能源动力、冶金、化工、交通、建筑、机械、医药食品、轻工、纺织等都要广泛的应用到许多工业传热学的理论以及有关基础技术和专业知识，而且现在的航空航天、核能、微电子、材料、生物医学工程、环境工程、新能源等很多的工业分支应用高新技术的领域也都应用到了最新的应用传热技术和研究成果，并且逐渐发展出了一些像相变与多相流高温传热、（超）与多相流低温传热、微尺度与高温传热、生物化学传热等许多互相交叉的工业分支应用传热技术学科。

关键词：传热学;高新技术;应用

1 前言

传热学实际上是专门研究人和物体温度的差异效应引起的人和物体热量温度传递运动规律和过程的一门应用科学和技术。早在遥远的新石器时代，人们就已经基本掌握和学会了如何在干燥的空气中进行烧火和取暖。随着工业革命的到来，蒸汽机、内燃机等热动力机械相继的发明和出现，传热技术的应用和研究更是在现代工业中也得到了飞速的发展。现代工业中的传热学实际上也就是专门用于研究各种物体的结构及其热量温度和其传递方式及其运动速度变化规律的一门学科。随着我国传热学的理论体系日趋完善，工业传热研究领域是工程技术研究应用领域的一门重要学科。传热的基本工作原理主要分为热传导、热对流和热辐射三种。

2 在航空航天领域的应用

人类在宇宙空间取得的巨大创新技术成果，是对当今世界上各种应用领域高技术、新一代材料的应用和研究最集中的科学技术成果的体现。其中传热学所能够起的重要作用功不可没。据目前我们对美国航行器工业技术监督管理局（nasa）所作的热防护大气系统技术的研究和报告的分析，美国民用和航天飞机的热防护大气系统技术发展的关键是大推力的液氢一液氧火箭喷气发动机，而另一个民用航天飞机热防护技术的发展关键是一个所谓”热防护系统”（tps），即它就是一个发动机安装在民用航天飞机外表面的一个防热瓦斯的结构系统为主的整个热防护大气系统结构。它被广泛地视为美国航天飞机热防护成败的技术关键。之所以把热防护系统的作用提到如此重要的技术地位，是由于目前美国的航天飞机极端复杂的环境以及传热学要求该飞机的防热系统必须完全能够重复使用造成的。为了有效地保证跑道上飞行时我们能够保证我们飞行安全内部的所有因素包括飞行人员、设备和所有飞行环境都能够安全不受任何的伤害和干扰，必须及时地研究采取特殊有效的热防护处理技术措施。为此先后成功地推出了较早研制成功并正式开始生产并投入使用的第一代超级氧化硅低温超级陶瓷玻璃防热瓦（lrsi）li一900，第二代氧化硅高温超级氧化硅陶瓷玻璃防热瓦（hrsi）li一2200以及较晚研制成功的由超级氧化硅高温陶瓷玻璃纤维和超级氧化铝高温陶瓷玻璃纤维等多种陶瓷复合材料玻璃纤维组成的第三代超级氧化硅高温超级陶瓷瓦。htp是这一超级陶瓷玻璃防热瓦系统的主要制造技术和生产核心。

3 在生物医学工程领域

我国生物领域的传热学是近年才开始逐步发展起来的，.虽然远还没有达到完善的临床科学，但却显示出强大的研究和科學应用技术的生命力和应用科学成果以及技术的应用发展前景.它在医学上是由分子生物学、临床医学和生物传热学多个学科和领域交叉发展形成的一门新学科，其研究目的和意义就在于通过把生物传热学的各种基本原理和先进的临床医学技术研究应用到了研究分子生物和临床医学中，探讨各种化学物质和组织在人体中的各种化学反应以及能量在一个特定生物体内的传输和运动的规律。其中比如治疗人体器官、组织及其皮肤细胞癌变的热诊断及手术治疗激光和冷冻超低温的皮肤外科手术。目前我们需要研究各种新型的生物化学器官传热的困难之处主要是在于我们需要深入研究各种新型生物化学应用的器官，它们一般是各向异性体，又是多相体、多孔体，同时还存在因环境和其他生物新陈代谢变化过程产生的内部传热源。生物体内的主要热源具有很多巨大的毛细血管，要确定因血液快速灌流导致的各种热量产生和传递方式是非常困难的。而且几乎传动动物生所有的动物、甚至一些野生植物都必须具备能够通过中枢神经系统网络来进行感知和控制调节自身环境温度的生理能力，这是一套极复杂的人体温度的传感和控制的体系。

4 在新能源领域

随着我国航天技术发展水平的不断进步，低温超导换热系统的技术和其他领域的超导技术变得日益重要起来。在新一代航天器的开发设计和制造以及未来的航天器在地面的模拟和太空监控探测装置等新一代超导技术的研究和开发应用方面，均有可能因为需要大量的研究和应用而涉及到超导换热技术的低温超导换热系统的技术和其他各种技术以及相应的超导技术装备。同时考虑到未来超导高效换热技术的前景和未来氢气电池作为清洁可再生能源已经成为航天车辆的主要燃料，低温换热技术的发展和应用覆盖范围将更加广阔。仅就目前我国航天超导技术发展关键阶段的主要超导低温换热技术的研究和应用一航天火箭车辆制造方面而言，对于低温换热的材料和其他超导技术水平的要求已经相当高。此外，从航天火箭地面军车制造到大型的航空军舰、飞机、卫星都已经离不开各种类型的高效换热的系统和设备。

参考文献

[1]杨世铭，陶文铨.传热学（第四版）[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]杜广生主编，工程流体力学，中国电力出版社， 2005年1月.

[3]侯亚芹，司建伟，污水源热泵的研究进展，建筑节能，2010，38（10）：25-26