“传热学”本科生教材40年的变迁及其对我们的启示(续1)

[ 字号: ] [ 关闭 ] 2008-12-21 11:05:41 来自网络 作者:admin 浏览次数: 发表评论

关键词:传热

2.7  可持续发展战略及新能源与可再生能源的开发与传热学的关系
世界性的化石燃料的日渐枯竭,环境问题的日益严重引起了世界各国的关注。联合国在1980年通过的《世界自然资源保护大纲》中指出[46]:“人类寻求经济发展及享用自然界丰富的资源,必须符合资源有限的事实及生态系统的支持能力,还必须考虑子孙后代的需要”。1989年,联合国提出了“可持续发展”战略。我国政府在1994年编制的“中国21世纪议程”中指出:走可持续发展道路是中国在未来几年和下一世纪发展自身需要的必然选择。在我国能源发展的中长期规划中,制订了以节能为主以及发展新能源与替代能源的政策。这些都会对研究热能传递规律的传热学的课程教学产生影响。首先执行可持续发展战略和节能为主的方针,要求对传热强化技术予以足够的关注,本文上面已经作了阐述,同时在介绍强化对流换热的技术时,必须指出,任何强化技术都会引起流动阻力的增加;只有那些按照一定的约束条件(如泵功一定,压降一定)的技术才能节能;其次在开发新能源与替代能源中的传热问题应当引起我们的重视。其中最可以引入教材的是太阳能利用中的传热问题。太阳能作为一种无污染、可再生的能源,已经在世界范围内得到广泛的应用,尤其是太阳能集热器(图18,19)。但太阳能存在着能流密度低以及不能维持常量的缺点。要有效合理地利用太阳能以及其他能源(例如地热),传热学在其中可以发挥重大的作用。从传热学教学的角度,太阳能集热器是一个非常好的综合例题,它既贴近学生的日常生活,又能带出多个传热问题(图20), 包括:(1)应用等截面直肋的分析方法得出集热板中的温度分布;(2)集热表面选择性涂层材料提高太阳能集热器的效率;(3)为减少散热损失而引入的集热面上的有限空间自然对流;(4)组成封闭腔的两表面间的辐射换热;(5)保温层的散热计算,等。因此几乎每一本近期教材都引入了太阳能集热器的计算[25,26,29,30,31,32,33,34]。这种内容在所有的早期教材中是找不到的,中期的教材中只有[10,17,18,19,23]已经有了这方面的介绍,而大多数中期教材[7,8,13,14,15,16,20,21]则尚未能注意到这个问题,在近期的教材中,则只有[27,28]没有纳入这一内容。

图18  太阳能集热器

图19  在楼宇顶面的太阳能集热器

图20  太阳能集热器所连带的传热学计算

随着人民生活水平的提高,空调等家用电器走进了平常百姓家,使家庭电能消耗持续地上升,空调系统节能程度成为全世界空调厂商吸引顾客的一个重要指标,由此使家用空调中的两器—冷凝器与蒸发器传热强化的研究呈现常兴不衰的势头。在这十几年中,无论是空气侧的换热表面还是制冷剂侧的换热表面都不断有新的技术显现。空气侧的翅片,由平片、波纹片、到开缝片(图21),对于水-制冷剂的传热过程,已经有单纯考虑制冷剂侧外部相变的强化发展到制冷剂侧与水侧同时强化,即双侧强化(double-enhanced),为我们提供了强化传热要抓主要矛盾的一个范例。图22是国产的一种双侧强化管剖面;制冷剂的管内换热强化则先后出现了二维微肋管与三维微肋管(图23),这些都为传热学强化传热部分的教学提供了很好的工程实例。

 

(a)平片               (b)波纹片               (c)开缝片

图21  空气侧强化换热翅片的演进

 

图22  沸腾换热双侧强化管

 (a)二维微肋管 (b) 三维微肋管

图 23  家用空调器中采用的微肋管(管子内直径~9mm)

2.8  MEMS技术与纳米技术的兴起对传热学教材的影响
上世纪末随着许多高新技术的发展,涌现出了很多空间上微细化(从毫米级到微米,从微米到纳米)以及时间上的极短暂热量传递过程,出现了微机电系统技术(MEMS)[47]、纳米技术以及激光脉冲加热、激光武器等新技术(图24,25),由此为传热学开辟了一个崭新的领域—微米纳米传热学[48],使传热学的研究范围从空间到时间均跨越了20数量级(图26,27)。由此引起的对传热学发展的长期影响目前还难以完全估量。

 

(a) 微型换热器

(b) 微型反应器

(c) 微型泵

图 24  微型换热、反应、输送设备

图25  Intel刻蚀技术的预期进展

图 26  传热学研究问题跨越的空间尺度范围

图 27  传热学研究问题跨越的时间尺度范围

如何在本科生传热学教学中反映微米纳米技术的出现及其进展是一个值得探讨得问题。在美国的一些学校,例如Colorado大学机械系已经将MEMS系统的设计列入为本科生的课程,美MIT机械系的陈刚教授认为应该在本科传热学课程中通过讨论引入一些微米纳米传热学的概念与应用实例[49]。我们认为,目前对于我国大多数学校的传热学教学在下列两方面的拓宽应予以考虑:(1)在导热部分,增加Fourier 导热定律的适用范围,引入非Fourier 导热问题的概念;(2)在对流部分,指出连续介质以及速度无滑移假定的适用条件,引入不连续介质的概念,简述微细尺度传热流动问题的主要特点。



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