传热学”本科生教材40年的变迁及其对我们的启示

[ 字号: ] [ 关闭 ] 2008-12-21 11:07:35 来自网络 作者:admin 浏览次数: 发表评论

关键词:传热

摘要:本文对40余年来世界科技领域的八件大事、传热学本身研究的进步以及教材编写体例的变化对本科传热学教学的影响进行了分析, 并对今后本科传热学教学的发展提出了作者的见解。

1.引  言
传热学是研究在温差作用下热量传递规律的科学。由于在自然界以及各种工程领域中无处不存在温差,因而无处不存在热量传递现象;而且各种工业过程中耗散的能量又都是以热能的形式而散发到环境中,使得传热学与工业生产和日常生活的关系特别密切。工业生产和科技领域的发展需求是传热学发展的根本动力,传热学研究的成果又推动了工业技术的发展。因而传热学的基本原理虽然已经形成了近一个世纪,但直至今日仍然是热科学乃至整个技术科学中十分活跃的学科。本文试图通过回顾40多年来世界科技领域的主要发展对传热学研究的促进,分析这些进展在本科生传热学教材中的反映。同时40多年来传热学学科本身的深入研究进一步查明了一些基本机理或完善了一些关联式,本文也将作简要的归纳。这个时期中世界科学技术以及教育学的发展也对课程教学与教材编写产生了显著的影响,对此文中也开展了讨论。最后本文试图对今后本科生传热学教材内容的发展做出估计与预测。笔者所能得到的这一时期内出版的国内外的教材有34种[1~34],大致可分为三个时间段:20世纪60年代左右的教材(称为前期教材)[1~6];90年代末21世纪初的教材(称为近期教材)[24~34],以及介于其间的教材(称为中期教材)[7~23]。本文的讨论主要针对前期与近期教材,间或涉及到中期教材。

2.近40年内世界科技领域的重大事件及其对传热学教材的影响
近40年内对传热学发展产生重大影响的事件很多,这里着眼于对本科生教材产生较大影响的事件,主要有以下八项。
2.1  70年代的世界能源危机促进了强化传热的研究
发生于70年代的能源危机对世界的经济发展是一次大冲击。其间中东的石油两次提价,使过去靠廉价石油发展工业的西方国家经济的发展受到很大的影响,迫使人们尽力减少石油与其它二次能源的消耗,客观上极大地促进了强化传热技术的研究——其实质是探求在消耗一定的能量条件下尽可能多地传递为某种过程所需的热量。根据Bergles 的统计[35],这个时期世界范围内关于强化传热研究论文的数量急剧上升(图1)。

图1 强化传热文献发表数量的逐年增长情况


这一事件使传热学教材对强化传热技术给予了更多的关注。在60年代出版的教材中,几乎没有出现“强化传热”(augmentation, enhancement) 的术语[3~6],文献[1,2] 中提出了“传热的增强”的概念,但仅限于分析强化传热过程首先要强化热阻大的一侧的换热过程,还未对强化传热的技术开展阐述。在西方教材中,作者查到Kreith 的教材[18],已经将Augmentation 列入主题索引;在1993年出版的Bejan的教材[22]中则更加开宗明义地提出研究传热学的主要任务是(1)热绝缘;(2)强化传热;(3)温度控制,非常精练地道出了近代传热学的研究命题; 在Incropera、DeWitt 的教材中,1985年的版本[17]正文中已经有这方面的阐述,但未列入主题索引,在2002年版本 [30]中, 则将enhancement surfaces 列入了主题索引。 国内教材比较通行的杨世铭编《传热学》在中期教材的两个版本 [11,19] 中, 均明确提出了强化传热的命题,在其近期第三版 [26]中则进一步丰富了有相变与无相变传热强化技术的介绍,并且将“强化传热”列为主题词。在近期教材[32]中也对有相变时的传热强化问题开展了论述。在大多数近期的西方教材,例如[28,31,33]中,都对强化传热给予了不同程度的关注。 Holman 的Heat transfer在西方是一本流行多年的教科书,但在其第九版[30]中仍未对强化传热给予足够的注意,不能不认为是一个缺陷。Lienhard父子的教科书[34]也存在同样的缺陷:该书在导热一章以后立即介绍换热器的设计,就丧失了通过换热器介绍引入强化对流换热技术的可能性,致使该书中连紧凑式换热器的概念都未出现。由此看来,换热器热设计的内容在教材一开始就介绍,未必是一种成功的尝试。

 2.2  核能工程的发展促进了多相流传热研究的蓬勃兴起
气液两相流广泛存在于动力、化工、石油等工业部门,但是只有在20世纪50-60年代核反应堆开始较大规模地应用于民用动力工程事业时,为了保证核反应堆的合理设计以及安全运行,气液两相流与传热的研究才进入蓬勃发展的时期[36]。气液两相流领域中的名著[37]的作者L S Tong 就是长期从事核反应堆研究科学家。核能工业以及大型火电站的发展,使传热学中关于管内沸腾的内容得到更多的重视。在早期的传热学教材[2-6]中虽然已经引入了管内沸腾的概念,但没有介绍流型以及传热特性如何随着流型而变化的情况。在本科生的传热学教材中,不可能详细介绍管内沸腾换热的关联式,但是从热交换的机理出发,阐述随着流型的不同而引起传热特性的变化则是应该的,像图2这样的定性介绍正是近期大多数传热学教材,例如[26,28,30,31,33,34]中,所普遍采用的。这样的图像在早期的传热学教材中是不可能有的,只有在某些中后期的教材,如[17,19,20,24]等,开始引入了管内强制对流沸腾的概念与流型,其中以Mill 的教材[23]介绍最为详细,不仅有流型的详细说明,而且还介绍了Klimenko 的管内沸腾换热的计算方法。

 

图 2  管内沸腾换热的定性描述[34]

2.3  电子器件冷却技术发展为传热学提供了许多强化换热的实例
电子技术是迄今为止世界上发展最为迅速的技术领域。芯片上集成的晶体管数目、主频以及芯片功率随年份的变化给出在图3,4,5中。由于功率不断增加,使电子器件的冷却成为目前IT 工业的瓶颈问题之一,由于温度超标而失效成为电子器件失效的主要原因(图6)。

图3  芯片上晶体管的集成度的变化

图4  芯片主频的变化

图 5  芯片功率的变化

图 6  电子产品失效分析

因此从20世纪90年代起,电子器件冷却技术的研究广泛受到重视,给传热学教材提供了大量具有实际意义的例题与习题,这方面以Incropera/DeWitt 以及 Cengel 的教材最为明显。Incropera/DeWitt 的教材[24,31]以这方面的例题、习题丰富称著,Cengel的教材[25,33]则单立一章介绍电子器件的冷却技术。例如Incropera/DeWitt 的教材中以80年代IBM公司开发成功的导热模块为例,让学生分析热量从芯片到冷却水的传递过程(图7),笔记本电脑的冷却则为热管应用提供贴近学生的实例(图8)。而各种芯片的空气强制对流散热器则为讲授肋片提供了极好的例子(图9)[28]。

图7  IBM导热模块热传递过程分析

图8 热管在笔记本电脑中的应用

图9  芯片散热器举例



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