工程传热学：04 绪论

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1、- 11 -第一章 绪论第一章 绪论工程传热学是研究工程应用中热量传递规律的科学。热量传递简称传热。根据热力学第二定律，热量可以自发地由高温热源传给低温热源，因此，只要有温差存在，就会有热量传递，温差是热量传递的动力。由于在自然界以及人们的日常生活和生产实践中，温差几乎无处不在，所以传热是普遍存在的物理现象，对人们的生活和生产实践产生广泛而深刻的影响，研究热量的传递规律也就极为重要。传热学不但要解释热量是如何传递的，同时也将计算传热的速率，预测热量传递的快慢程度。由于有温差才能传热，因此，必须知道所考虑对象的温度分布才能计算传热量的大小。故传热学的基本任务，一是求解温度分布，二是计算热量传递的

2、速率。传热学与工程热力学是有区别的。工程热力学研究热能的性质、热能与机械能及其他形式能量之间相互转换的规律，讨论的是平衡系统，它可以计算需要多少能量才能使系统从一个平衡态变为另一个平衡态。由于转变的过程是非平衡态，工程热力学不能计算这一转变需要多长时间。传热学则以热力学第一定律和第二定律为基础，再利用一些实验规律来研究热量传递的速率，不但要计算传递了多少热量，还要计算在多长时间内传递了这些热量。依据物体温度与时间的依变关系，可将传热过程分为稳态传热过程和非稳态传热过程。若物体中各点温度不随时间改变，则对应的传热过程为稳态热传递过程；若物体中各点温度随时间改变，则对应的传热过程为非稳态热传递过程

3、。稳态过程和非稳态过程又称为定常过程和非定常过程。1-1 热量传递的基本方式自然界的热量传递有三种基本方式，它们是热传导、热对流和热辐射。所有的热量传递过程都是以这三种方式进行的。一个实际的热量传递过程可以是以其中的一种热量传递方式进行，但多数情况下都是以两种或三种方式同时进行。1 热传导热传导简称导热，是物体内部或相互接触的物体表面之间，由于分子、原子及自由电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递现象。热传导的发生不需要物体各部分之间有宏观的相对位移。当物体内部存在温度梯度时，能量就会通过热传导从温度高的区域传递到温度低的区域。单位时间通过单位面积的热流量称为热流密度，用q来表示。本书全部使用

4、国际单位制，热流密度的单位为W/m2。经验发现，热流密度和垂直传热截面方向的温度变化率成正比：(1-1)图1-1 大平壁的稳态导热式(1-1)就是传热学中非常重要的傅里叶定律，由傅里叶(Joseph Fourier)于1822年提出。式中负号是为了满足热力学第二定律，表示热量传递的方向与温度升高的方向相反。F为通过面积A上总的热量，称为热流量，单位是W。式中的比例系数l 称为材料的热导率，又称导热系数，单位是W/(mK)，其数值大小反映材料的导热能力, 热导率越大，材料的导热能力就越强。导热系数与材料及温度等因素有关，金属是良导热体，热导率最大，液体次之，气体最小。对于图1-1所示的大平板稳态

5、导热，由于是一维问题，且F 和q为常量，故t/x = dt/dx为常数；这时的傅里叶定律为：(1-2)即稳态情况下流过大平板的导热量与平板的截面积和两侧的温差成正比，与平板的厚度成反比。这里有必要引入热阻的概念。热量传递是自然界中的一种转移过程。各种转移过程有一个共同规律，就是：过程中的转移量 = 如电学中的欧姆定律是这一规律的具体体现：平板导热可类似写出：(1-3)即热流量这样对导热过程就有导热热阻：上式导热热阻单位是K/ W。对单位面积而言有面积热阻：面积热阻的单位是m2K/ W。2热对流若流体有宏观的运动，且内部存在温差，则由于流体各部分之间发生相对位移，冷热流体相互掺混而产生的热量传递

6、现象称为热对流。这时，除了有因流体各部分间宏观相对位移而引起的热对流外，流体分子的热运动还会产生导热过程。故热对流和热传导总是同时存在的。在日常生活及工程实践中，人们遇到更多的是流体流过一个温度不同的物体表面时引起的热量传递，这种情况称为对流换热。在本书中我们只讨论对流换热。当实际流体流过物体表面时，由于粘性作用，紧贴物体表面的流体是静止的，热量传递只能依导热的方式进行；离开物体表面，流体有宏观运动，热对流方式将发生作用。所以，对流换热是热对流和导热两种基本传热方式共同作用的结果。对流换热可分为强制对流和自然对流两大类。如果流体的运动是由于水泵、风机、或其它压差作用而引起，则称为强制对流。自然

7、对流则是由于流体冷、热各部分之间密度不同而导致的流体的运动。另外，流体有相变时的热量传递也是对流换热研究的范畴，如液体在热表面上沸腾或蒸汽在冷表面上凝结。1701年，英国科学家牛顿提出当物体受到流体冷却时，表面温度对时间的变化率与流体和物体表面间的温差Dt成正比。在此基础上，人们后来总结出了计算对流换热的基本公式，称为牛顿冷却公式，形式如下：(1-4)式中：Dt流体和物体表面的温差，约定永远为正，单位为K或。当流体被加热时，当流体被冷却时；h表面传热系数，单位为W/(m2K)。习惯上表面传热系数常称为换热系数。式(1-4)同样可表示成热阻的形式：(1-5)称为对流热阻，单位是K/ W。式(1-

8、4)只是给出了表面传热系数的定义式，并没有指出其具体的计算方法。影响表面传热系数的因素很多，包括流体的物性（导热系数、粘度、密度、比热容等）、流动的形态（层流、紊流）、流动的成因（自然对流或强制对流）、物体表面的形状、尺寸，换热时流体有无相变（沸腾或凝结）等。研究对流换热的基本任务就是用理论分析或实验方法得出不同情况下表面传热系数的计算关系式。表1-1列举了一些对流换热过程的h值的大致范围。由表1-1可知，水的对流换热表面传热系数比空气的大，强制对流的比自然对流的大，有相变的比无相变的大。表1-1 对流换热表面传热系数的大致范围对流换热类型表面传热系数 h /W /( m2K)空气自然对流11

9、0水自然对流2001 000空气强制对流10100高压水蒸气强制对流1 00015 000水强制对流1 00015 000水沸腾2 50035 000水蒸气凝结5 00025 0003热辐射一切温度高于0K的物体都会以电磁波的方式发射具有一定能量的微观粒子，即光子，这样的过程称为辐射，光子所具有的能量称为辐射能。所以辐射是物体通过电磁波来传递能量的方式。物体会因不同的原因发出辐射能。由于热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射，这时辐射能是由物体的内能转化而来，物体的温度越高，辐射能力越强。自然界各个物体都不停地向空间发出热辐射，也不断地吸收其他物体发出的热辐射，其综合过程即为辐射换热。前面所述的

10、热传导和热对流两种传热方式必须借助于介质才能进行，而辐射可以在真空中进行，并且真空中辐射换热最有效。物体进行辐射换热时内能和辐射能将相互转换，一方面物体将内能转换为辐射能辐射出去，另一方面又将吸收到的辐射能转换为内能。物体间以热辐射的方式进行的热量传递是双向的。当两个物体温度不同时，高温物体向低温物体发射热辐射，低温物体也向高温物体发射热辐射，即使两个物体温度相等，辐射换热量等于零，但它们之间的热辐射交换仍在进行，只不过是处于动态平衡状态。物体的辐射能力与温度有关，同一温度下不同物体的辐射与吸收本领也大不一样。为此，定义一种理想物体绝对黑体。绝对黑体（简称黑体）是理想化的能吸收投入到其表面上所

11、有热辐射能的物体。这种物体的吸收本领和辐射本领在同温度的物体中最大。黑体在单位时间内发出的热辐射能由斯蒂藩-玻耳兹曼定律计算：(1-6)其中：A辐射表面积m2；T黑体的热力学温度K；斯蒂藩-玻耳兹曼(Stefan-Boltzman)常数，也叫黑体辐射常数，；斯蒂藩-玻耳兹曼定律，又称四次方定律，是辐射换热计算的基础。有了黑体的概念后，实际物体的辐射能力就可由黑体的辐射能力进行修正：(1-7)式中e 是物体的发射率，或称黑度。一切实际物体的辐射能力都小于同温度下的黑体，即。两个表面间的辐射传热量的计算较为复杂，需要考虑各表面辐射的热量和吸收的热量的总和。但有一种情况计算却很简单。当一个面积为A1

12、，发射率为e 1，温度为T1的表面被另一个温度为T2的大得多的表面包围时，两表面间的辐射热流量为：(1-8)例题1-1 有三块分别由纯铜、碳钢和硅藻土砖制成的大平板，它们的厚度都为d = 50 mm，两侧表面的温差都维持为tw1 tw2 = 100不变，试求通过每块平板的导热热流密度。纯铜、碳钢和硅藻土砖的导热系数分别为l1 = 398 W/(mK)，l2 = 40 W/(mK)，l3 = 0.242 W/(mK)。解 这是通过大平壁的一维稳态导热问题，根据式(1-2)，对于纯铜板，热流密度为： =398对于碳钢板， =40对于硅藻土砖， =0.242由计算可见，由于几种材料的导热系数各不相同

13、，即使在相同的条件下，通过它们的热流密度也是不相同的。通过纯铜的热流密度大约是通过硅藻土砖的热流密度的2000倍。例题1-2 一室内暖气片的散热面积为A = 2.5 m2，表面温度为tw = 50，和温度为20的室内空气之间自然对流换热的表面传热系数为h = 5.5 W/(m2K)。试计算该暖气片的对流散热量。解 暖气片和室内空气之间是稳态的自然对流换热，根据式(1-4)，= Ah(tw tf) = 2.55.5(50-20) = 412.5 W故该暖气片的对流散热量为412.5 W。例题1-3 若例1-2中暖气片的发射率为e 1 = 0.8，室内墙壁温度为20。试计算该暖气片和室内墙壁的辐射

14、传热量。解 由于墙壁面积比暖气片大得多，由式(1-8)，两者间的辐射传热量为：可见，此暖气片室内的对流散热量和辐射散热量大致相当。1-2 传热过程和传热系数图1-2 传热过程示意图上面介绍了热量传递的三种方式。实际的传热过程一般都是这三种方式的组合。工程上经常遇到处于固体壁面两侧的冷热流体之间的热交换问题，例如热量从暖气片中的热水或蒸汽传给室内空气的过程、热量从蒸汽管道内的高温蒸汽通过管壁传给周围空气的过程、电厂冷凝器中热量从乏汽通过冷凝管传给冷却水的过程，电冰箱冷凝器中热量从制冷剂传给室内空气的过程等等。在传热学中，这种热量从固体壁面一侧的流体通过固体壁面传递到另一侧流体的过程称为传热过程。

15、这一定义有其特定的含义，不是泛指的热量传递过程。一般来说，传热过程由三个相互串联的热量传递环节组成:(1) 热量以对流换热的方式从高温流体传给固体壁面；(2) 热量以导热的方式从高温流体侧壁面传递到低温流体侧壁面；(3) 热量以对流换热的方式从低温流体侧壁面传给低温流体。在第一和第三个环节中有时还须考虑壁面与流体及周围环境之间的辐射换热。考虑图1-2所示的稳态传热过程，一个导热系数l为常数、厚度为d 的大平壁，两侧分别有冷热流体流过。平壁左侧远离壁面处的流体温度为tf1, 表面传热系数为h1，平壁右侧远离壁面处的流体温度为tf2，表面传热系数为h2，且 tf1 tf2。传热过程的三个环节由平壁

16、左侧的对流换热、平壁的导热及平壁右侧的对流换热三个相互串联的热量传递过程组成，各环节的热流量计算如下：（1）热流体到壁面一的对流换热：（2）从壁面一到壁面二的导热：（3）壁面二到冷流体的对流换热：上面三式中的热流量F 相等，联立可解得式：(1-9)式中k称为传热系数或总传热系数，单位为W/(m2K)；当壁面为平壁时，其计算式如下：(1-10)或(1-11)传热过程的总热阻，由各环节的热阻串联而成，它们分别为各环节热阻；、面积热阻，单位为m2K/ W。式（1-11）同样适用于各环节的热量传递面积不相等的情形，如通过圆筒壁的传热，这时通过壁面的导热热阻的计算须相应改变。例题1-4 有一氟里昂冷凝器

17、，管内有冷却水流过，对流表面传热系数为h1 = 8800 W/(m2K)，管外是氟里昂凝结，表面传热系数为h2 = 1800 W/(m2K)，管壁厚为d = 1.5 mm，导热系数为l = 380 W/(mK)，试计算三个环节的热阻和总传热系数，欲增强传热应从哪个环节入手。（假设管壁可作为平壁处理）。解 三个环节的面积热阻为：水侧换热热阻：管壁导热热阻：蒸汽凝结热阻：冷凝器的总传热系数为：三个环节的热阻比例为16.9%、0.6%、82.5%。故蒸汽侧的热阻占主要部分，应从这一环节入手增强换热。例题1-5一房屋的外墙为混凝土，其厚度为d =200 mm ，混凝土的热导率为l =1.5 W/(mK

18、) ，冬季室外空气温度为tf2 = -10 , 有风天和墙壁之间的表面传热系数为h2 = 20W/(m2K)，室内空气温度为tf1 = 25 , 和墙壁之间的表面传热系数为h1 =5 W/(m2K)。假设墙壁及两侧的空气温度及表面传热系数都不随时间而变化，求单位面积墙壁的散热损失及内外墙壁面的温度tw1和tw2。解 这是一个稳态传热过程，冷热流体由混凝土墙壁隔开。 根据式(1-9)，通过墙壁的热流密度，即单位面积墙壁的散热损失为 W/m2 根据牛顿冷却公式(1-4)，对于内、外墙面与空气之间的对流换热， 于是可求得分析本例中三个传热环节的热阻可以发现，由于自然对流表面传热系数小，热阻大，总的传

19、热温差(25 (-10) = 35 C) 中，室内自然对流的所占温差最大，为20 C，墙壁的导热温差次之，为10 C，室外的强制对流热阻最小，所需温差也最小，为5 C。思 考 题1. 试说明热传导、热对流和热辐射三种热量传递基本方式的机理和特点，并指出它们之间的区别。2. 试说明热对流与对流换热之间的联系与区别。3. 请用生活和生产中的实例说明导热、对流换热、辐射换热与哪些因素有关。4. 热导率（导热系数）和表面传热系数是物性参数吗？请写出它们的定义式，说明其物理意义。5. 平壁的导热热阻与那些因素有关，请写出其表达式。6. 从传热的角度出发说明暖气片和家用空调机放在室中什么位置合适。7. 试

20、说明暖水瓶的散热过程与保温机理。8. 在深秋晴朗无风的夜晚，气温高于0，但清晨却看见草地上披上一身白霜，但如果阴天或有风，在同样的气温下草地却不会出现白霜，试解释这种现象。9. 在有空调的房间内，夏天和冬天的室温均控制在20，夏天只需穿衬衫，但冬天穿衬衫会感到冷，这是为什么？10. 为什么计算机主机箱中CPU处理器上和电源旁要加风扇？11. 根据热力学第二定律，热量总是从高温物体传向低温物体。但辐射换热时，低温物体也向高温物体辐射热量，这是否违反热力学第二定律？ 习 题1-1 一厚度为0.12 m的玻璃纤维板，导热系数为0.032 W/(mK)，其两侧面具有75的温差，求通过纤维板的热流密度。

21、1-2 已知一块很大的平板保温材料，导热系数为0.11 W/(mK)，厚度为20 mm，若流过它的热流密度为1500 W/m2，求平板两侧面之间的温差。1-3 一大平板，高2.5 m，宽2 m，厚 0.03m，导热系数为45 W/(mK)，两侧表面温度分别为t1 = 100 ， t2 = 80 ，试求该板的热阻、热流量、热流密度。1-4 一炉子的炉墙厚13 cm，总面积为20 m2，平均导热系数为1.04 W/(mK)，内外壁温分别是520及50。试计算通过炉墙的热损失。如果所燃用的煤的发热量是2.09104 kJ/kg，问每天因热损失要用掉多少千克煤？1-5 空气在一根内径50 mm，长3.

22、0m的管子内流动并被加热，已知空气平均温度为80，管内对流换热的表面传热系数为h = 70 W/(m2K)，热流密度为q = 5000 W/m2，试求管壁温度及热流量。1-6 一单层玻璃窗，高1.2m，宽1.5 m，玻璃厚3 mm， 玻璃的导热系数为l = 0.5 W/(mK)，室内外的空气温度分别为20 和5 ，室内外空气与玻璃窗之间对流换热的表面传热系数分别为h1 = 5.5 W/(m2K) 和h2 = 20 W/(m2K)，试求玻璃窗的散热损失及玻璃的导热热阻、两侧的对流换热热阻。1-7 如果采用双层玻璃窗，玻璃窗的大小、玻璃的厚度及室内外的对流换热条件与1-6题相同，双层玻璃间的空气夹

23、层厚度为5 mm，夹层中的空气完全静止，空气的导热系数为l = 0.026 W/(mK)。试求玻璃窗的散热损失及空气夹层的导热热阻。习题1-9 附图1-8 为测定一种材料的导热系数，用该材料制成厚5 mm的大平板。在稳态下，保持平板两表面间的温差为30。并测得通过平板的热流密度为6210 W/m2，试确定该材科的导热系数。1-9对于附图所示的两种水平夹层，试分析冷、热表面间热量交换的方式有何不同？如果要通过实验来测定夹层中流体的导热系数，应采用哪一种布置？1-10 有一厚度为400 mm的房屋外墙，导热系数为0.5 W/(mK)。冬季室内空气温度为20 ，和墙内壁面之间对流换热的表面传热系数为

24、h1 = 5 W/(m2K)。室外空气温度为-10，和外墙之间对流换热的表面传热系数为h2 = 8.5 W/(m2K)。如果不考虑热辐射，试求通过墙壁的传热系数、单位面积的传热量和内、外壁面温度。1-11 在一次测定空气横向流过单根圆管的对流换热实验中，得到下列数据：管壁平均温度tw = 69 ，空气温度tf =20 ，管子外径d = 14 mm，加热段长80 mm，输入加热段的功率8.5 W，如果全部热量通过对流换热传给空气，试问此时的对流换热表面传热系数多大？1-12 一绝对黑体，表面温度为1000，计算其单位面积的热辐射能。1-13 太阳的表面温度约为5500，且可认为是黑体，计算太阳单

25、位面积向外辐射的能量。1-14 宇宙空间可近似的看作0K的真空空间。一航天器在太空中飞行，其外表面平均温度为250K，表面发射率为0.7，试计算航天器单位表面上的换热量。习题1-16附图1-15 一台小型辐射加热器，其金属辐射面的尺寸为8 mm 4mm，发射率为0.85，若要求加热器向20房间的散热量为2500 W，问金属面要加热到多高的温度。1-16 附图所示的空腔由两个平行黑体表面组成，孔腔内抽成真空，且空腔的厚度远小于其高度与宽度。其余已知条件如图。表面2是厚=0.1 m的平板的一侧面，其另一侧表面3被高温流体加热，平板的平均导热系数 = 17.5 W/(mK)，试问在稳态工况下表面3的

26、tw3温度为多少？1-17 一炉墙覆盖有一层厚度为25mm，导热系数为1.4 W/(mK)的保温层。保温层内侧的墙面温度为315，外侧处于温度为38的流体中，若要求保温层外侧的温度为不高于41，问流体和保温层的对流换热系数应为多少？1-18 一厚度为0.4 m，导热系数为1.6 W/mK的平面墙壁，其一侧维持100的温度，另一侧和温度为10的流体进行对流换热，表面传热系数为10 W/(m2K)，求通过墙壁的热流密度。1-19 一金属板的一侧绝热，另一侧一方面吸收太阳的辐射能700 W/m2，同时和20的流体进行对流换热，表面传热系数为10 W/(m2K)，求热平衡时金属板的温度。1-20 涡轮

27、机叶片可理想化为厚1.2 mm的平板。1000的高温燃气流过叶片上表面，对流换热系数为2500 W/(m2K)；下表面被压气机排出的空气冷却，表面传热系数为1500 W/(m2K)。为使叶片温度最高处不超过600。试求冷却空气的温度。设叶片材料的导热系数为 40 W/(mK)。传热是稳态的。参 考 文 献1 王补宣. 工程传热传质学(上册). 北京: 科学出版社, 19822 杨世铭, 陶文铨. 传热学(第三版). 北京: 高等教育出版社, 19983 戴锅生. 传热学. 北京：高等教育出版社, 19914 俞佐平, 陆 煜. 传热学(第三版). 北京: 高等教育出版社, 19955 章熙民,

28、 任泽霈, 梅飞鸣. 传热学. 北京: 中国建筑工业出版社, 19876 埃克尔特 E R G, 德雷克 R M. 传热与传质分析(航青 译). 北京: 科学出版社, 19837 Holman, J P. Heat transfer, 9th ed. Boston: McGraw-Hill Book Company, 20028 Ozisik M N. Heat conduction (热传导, 俞昌铭主译). 北京: 高等教育出版社, 19839 Incropera F P, DeWitt D P. Introduction to heat transfer, 3rd ed. New York: John Wiley & sons, 199610 Schneider P J. Conduction; In: Rohsenow W M, et. al., Handbook of heat transfer, fundamentals, 2nd ed. New York: McGraw-Hill, 198511 Kakac S, Yener Y. Heat conduction, 2nd ed. Washington: Hemisphere Publishing Cop., 1986