内容发布更新时间 : 2024/5/18 15:35:45星期一 下面是文章的全部内容请认真阅读。
第一章 绪 论
从现代化楼宇的暖通空调到自然界风霜雪雨的形成，从航天飞机重返大气层到电子元器件的有效冷却，从一年四季人们穿着的变化等等，无不与热能的传递过程紧密相关。
传热学（heat transfer）是研究由温差（temperature difference）引起的热能传递规律的科学。主要是指单位时间内所传递的热量与物体中相应的温度差之间的关系。凡是有温差的地方就存在热量传递，自然界中温差无处不在，无时不有，因而热量传递就是自然界和生产技术领域中一种普遍存在的现象。
1-1热量传递的基本方式
自然界的热量传递有三种方式，他们是热传导、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的，但多数情况下都是以两种或三种方式进行的。
1.热传导
热传导（heat conduction）简称导热，是在物体内部或者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。例如：手握金属棒的一端，将另一端伸进灼热的火炉，就会有热量通过金属棒传到手掌，这种热量传递现象就是通过导热引起的。
当物体内部存在温度梯度时，热量就会通过热传导从温度高的区域传递到温度低的区域。 首先引入两个概念，热流量和热流密度：
在传热学中，单位时间传递的热量称为热流量，用Φ表示，单位是W。 单位时间通过单位面积的热流量称为热流密度，用q表示，单位是W/m2。
实验证实，平壁一维稳态导热的热流量与平壁的面积A及两侧的温差tW1-tW2成正比，与平壁的厚度成反比，并与平壁的导热性能有关，可表示为：
??A?tW1?tW2? （1-1）
式中的比例系数λ为材料的导热率，成为导热系数。单位是W/(m·K)，其数值大小反映了材料的导热能力，热导率（导热系数）越大，材料的导热能力越强。材料的导热系数一般由实验测得，接下来将进一步讨论。
借鉴电学中欧姆定律表达式的形式（电流=电位差/电阻），热流量的式子可以写成“热流=温度差/热阻”的形式。
??tW1?tW2?A??tW1?tW2 （1-1a） R?式（1-1a）中
?称为平壁的导热热阻，K/W。平壁厚度愈大，导热热阻越大；导热材料的导热系A?数越大，导热热阻越小。热阻是一个重要的概念，表示物体对热量传递的阻力，热阻越小，传热越强。
通过平壁一维稳态导热的热流密度为：
q?t?tt?t???W1W2?W1W2 （1-2）
?A??式中
?称为单位面积平壁的导热热阻，简称面积热阻，单位是m2·K/W。 ?【例题1-1】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δ=50mm，两侧表面的温差都是Δt=tW1-tW2=100℃不变，试求通过平板的热流密度，纯铜、碳钢和硅藻土砖的导热系数分别为λ1=398W/(m·K)，λ2=40W/(m·K)，λ3=0.242W/(m·K)。
解：这是通过大平板的一维稳态导热问题，根据公式
对于纯铜板，热流密度为
q1??1对于碳钢板
tW1?tW2??398W/(m?K)?100℃?7.96?105W/m2
0.05m100℃?0.8?105W/m2
0.05m100℃?4.84?102W/m2
0.05mq2??2对于硅藻土砖
tW1?tW2??40W/(m?K)?q3??3tW1?tW2??0.242W/(m?K)?2.热对流
若流体有宏观的运动，且内部存在温差，则由于流体的宏观运动使温度不同的流体发生相对位移而产生的热量传递现象称为热对流（heat convection）。显然，热对流只发生在流体之中，而且必然伴随着有微观粒子热运动产生的导热。故热对流和热传导总是同时存在的。如锅炉中水和管壁之间，室内空气与暖气片及墙面之间的热量交换等。
当流体流经物体表面时，由于粘性作用，紧贴物体表面的流体是静止的，热量传递的方式只能是以导热的方式进行。离开物体表面，流体具有宏观运行，热对流方式将发挥作用。所以流体和固体表面的热量传递是热对流和导热两种基本方式来共同作用的结果，这种传热现象称为对流换热。
就引起流动的原因而论，对流换热可分为强制对流（forced convection）和自然对流（natural convection）两大类。如果流体的流动是由于水泵、风机或其他压差作用而引起的，则为强制对流。自然对流是由于流体、冷热部分之间的密度不同而导致的流体的流动。另外工程上经常遇到流体在热表面上的沸腾及蒸汽在冷表面上的凝结的对流传热问题，分别简称沸腾换热（boiling heat transfer）及凝结换热（condensation heat transfer）。
1701年，英国科学家牛顿提出，当物流收到流体冷却时，表面温度对时间的变化率与流体和物体表面间的温差?t成正比。在此基础上，人们后来总结出来计算对流换热的基本计算式，称为牛顿冷却公式，形式如下：
??Ah?t （1-3）
q?h?t （1-3）
式中：?t——流体和物体表面的温差，约定永远为正，当流体被加热时?t?tW?tf，当流体被冷却
时，?t?tf?tW，tW为固体壁面温度，℃；tf为流体温度，℃；
h——称为对流换热的表面传热系数，习惯上称为对流换热系数，单位为W/(m2·K)。 牛顿冷却公式也可写成热阻的形式：
tW?tftW?tf???
1RhAh式中，Rh?1称为对流换热热阻，K/W。 Ah对流换热系数反映了对流换热的强弱，它不仅取决于流体的物性（粘度、导热系数、密度、比热容等）、流动的形态（层流、紊流）、流动的成因（自然对流和强迫对流）、物体的表面形状和尺寸，还与流体有无相变（凝结和沸腾）有关。接下来将详细讨论。
表1-1 对流换热表面传热系数的大致范围
对流换热类型 空气自然对流 水自然对流 空气强制对流 高压水蒸气强制对流 水强制对流 水沸腾 水蒸气凝结 表面传热系数h[W/(m2·K)] 1～10 200～1000 10～100 1～15000 1000～1500 2500～35000 5000～25000 【例题1-2】一室内暖气片的散热面积为A=2.5m2，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系数为h=5.5W/( m2·K)。试求该暖气片的对流换热量。
解：暖气片和室内空气之间是稳态的自然对流换热
??Ah(tW?tf)?2.5m2?5.5W/(m2?K)?(50℃?20℃) ?412.5W3.热辐射
辐射是指物体受某种因素的激发而向外发射辐射能的现象。通常是通过电磁波来传递能量。物体会因各种原因而向外发射辐射能，其中因热的原因而发出辐射能的现象称为热辐射（thermal radiation）。
自然界的各个物体都在不停的向空间发出辐射能，同时又在不断的吸收其他物体发出的辐射能。辐射与吸收过程的综合作用就造成了以辐射方式进行的物体之间能量传递——辐射换热（radiative heat transfer）。
导热和对流必须有物质存在的条件下才能实现，而热辐射可以在真空中传递，而且实际上在真空中辐射能传递最有效。一切温度高于绝对零度的物体都能产生热辐射，温度愈高，辐射出的总能量就愈大，短波成分也愈多。
物体表面单位时间内单位面积对外辐射的能量称为辐射力，用E表示，常用单位是J/m2·s或W/m2，其大小与物体表面性质及温度有关。实践与理论证实，辐射力与温度的四次方成正比，即斯蒂芬波尔兹曼定律：
E???T4
ε ——物体表面发射率；
ζ ——黑体辐射常数，ζ=5.67×10-8W/(m2·K4) T ——热力学温度，K。
如果一个表面积为A1、表面温度为T1、发射率为ε1的物体被包容在一个很大的表面温度T2为的空腔内，此时的辐射换热量可以用下式来计算：
E??1A1??T14?T24?
以例题1-2为例来计算，若该暖气片的发射率为ε=0.8，室内墙壁温度为20℃，试计算该暖气片和墙壁的辐射换热量。
解：墙壁和暖气片之间的换热量为
???A?(T14?T24)
?0.8?2.5m2?5.67?10?8W/(m2?K4)?(3234?2934)K4 ?398.5W通过计算可以看出此暖气片室内的对流散热量和辐射散热量大致相当，不能忽略。
1-2 传热过程和传热系数
工程上经常遇到热量从壁一侧的流体通过壁传递给另一侧的流体，称为传热过程（overall heat transfer process）。
设有一大平壁，面积为Am2，两侧分别为tf1的热流体和温度为tf2的冷流体，两侧的换热系数分别为h1和h2，两侧的δ h1 壁温分别为tW1 和tW1，壁材的导热系数为λ，厚度为δ，若导tf1 热过程处于稳态，对传热过程三个阶段分析可得：
Φ （1）热量由热流体以对流换热的形式传递给壁左侧，对λ 于单位时间和单位面积有： tW1 tW2 q1?h1(tf1?tW1)
h2 tf2 （2）热量以导热方式传递给壁，则：
q2?（3）热量由壁右侧以对流换热的方式传递给流体，即：
?(tW1?tW2) ?q3?h2(tW2?tf2)
在稳态情况下，以上三式的热流密度q相等，整理后得：
q?11?1??h1?h2k?(tf1?tf2)?k(tf1?tf2)W/m2
11?1??h1?h2W/(m2?℃)
式中，k为传热系数（overall heat transfer coefficient），它表明单位时间、单位面积上，冷热流体通过壁面是单位温差克传递的热量。k可以反映传热过程的强弱。可以按热阻形式写成：
tf1?tf2?tq??
1RkkRK为平壁单位面积的传热热阻，即：
Rk?11?1???kh1?h2m2?℃/W
可见传热热阻等于热流体、冷流体与壁面的对流换热热阻及壁面的导热热阻之和，相当于串联电阻的计算方法。对于换热器，k值越大说明传热越好；但是对于建筑物维护结构和热力管道的保温层等，k值越小越好。
学习传热学的目的：认识传热规律；计算各种情况下的传热量或传热过程中的温度分布；学习增强或削弱热量传递过程的方法以及对传热现象进行研究方法。
思考题
【1-1】试分析室内暖气片的散热过程，各个环节有哪些热量传递方式？以暖气片管内走热水为例。 答：有以下换热环节及传热方式： 由热水到暖气片管道内壁，热传递方式为强制对流换热； 由暖气片管道内壁到外壁，热传递方式为固体导热； 由暖气片管道外壁到室内空气，热传递方式有自然对流换热和辐射换热。 【1-2】试分析冬季建筑室内空气与室外空气通过墙壁的换热过程，各个环节有哪些热量传递方式？ 答：有以下换热环节及传热方式： 室内空气到墙体内壁，热传递方式为自然对流换热和辐射换热； 墙的内壁到外壁，热传递方式为固体导热； 墙的外壁到室外空气，热传递方式有对流换热和辐射换热。
【1-3】按照导热机理，水的气、液、固三种状态中那种状态的导热系数最大？
答：根据导热机理可知，固体导热系数大于液体导热系数；液体导热系数大于气体导热系数。所以水的气、液、固三种状态的导热系数依次增大。
【1-4】 利用同一冰箱储存相同的物质时，试问结霜的冰箱耗电量大还是未结霜冰箱耗电量大？为什么？
答：在其它条件相同时，冰箱的结霜相当于在冰箱的蒸发器和冰箱的冷冻室（或冷藏室）之间增加了一个附加的热阻，因此，冷冻室（或冷藏室）要达到相同的温度，必须要求蒸发器处于更低的温度。所以，结霜的冰箱的耗电量要大。
【1-5】在寒冷的北方地区，建房用砖采用实心砖还是多孔的空心砖好？为什么？ 答：采用空心砖较好，在其他条件相同时，实心砖材料如红砖的导热系数约为0.5W/（m·K）（35℃），而多孔空心砖中充满着不动的空气，空气在纯导热（即忽略自然对流）时其导热系数很低，是很好的绝热材料。因而用多孔空心砖好。
【1-6】冬天，经过在白天太阳底下晒过的棉被，晚上盖起来为什么感到很暖和？并且经过拍打以后，为什么效果更加明显？
回答：棉被经过晾晒以后，可使棉花的空隙里进入更多的空气。而空气在狭小的棉絮空间里的热量传递方式主要是导热，由于空气的导热系数较小，具有良好的保温性能。而经过拍打的棉被可以让更多的空气进入，因而效果更明显。
【1-7】冬天，在相同的室外温度条件下，为什么有风比无风时感到更冷些？
回答：假定人体表面温度相同时，人体的散热在有风时相当于强制对流换热，而在无风时属自然对流换热（不考虑热辐射或假定辐射换热量相同时）。而空气的强制对流换热强度要比自然对流强烈。因而在有风时从人体带走的热量更多，所以感到更冷一些。
讨论：读者应注意的是人对冷暖感觉的衡量指标是散热量的大小而不是温度的高低，即当人体散热量低时感到热，散热量高时感到冷，经验告诉我们，当人的皮肤散热热流为58W/㎡时感到热，为232W/㎡时感到舒服，为696W/㎡时感到凉快，而大于为928W/㎡时感到冷。
【1-8】夏季在维持20℃室内工作，穿单衣感到舒适，而冬季保持在22℃的室内工作时，为什么必须穿绒衣才觉得舒服？
回答：首先，冬季和夏季的最大区别是室外温度不同。夏季室外温度比室内温度高，因此通过墙壁的热量传递方向是由室外传向室内。而冬季室外气温比室内气温低，通过墙壁的热量传递方向是由室内传向室外。因此冬季和夏季墙壁内表面温度不同，夏季高而冬季低。因此，尽管冬季室内温度22℃比夏季略高20℃，但人体在冬季通过辐射与墙壁的散热比夏季高很多。根据上题人体对冷暖的感受主要是散热量的原理，在冬季散热量大，因此要穿厚一些的绒衣。
【1-9】有人将一碗热稀饭置于一盆凉水中进行冷却。为使稀饭凉得更快一些，你认为他应该搅拌碗中的稀饭还是盆中的凉水？为什么？