传热学绪论

ht0.doc 绪论 １

绪 论

传热学是研究热量传递过程规律的科学。

自然界和生产过程中，到处存在温度差，热量将自发地由高温物体传递到低温物体，热传递就成为一种极为普遍的物理现象。因此，传热学有着十分广泛的应用领域。就各类工业领域而言，诸如，锅炉和换热设备的设计以及为强化换热和节能而改进锅炉及其他换热设备的结构；化学工业生产中，为维持工艺流程的温度，要求研究特定的加热、冷却以及余热的回收技术；电子工业中解决集成电路或电子仪器的散热方法；机械制造工业测算和控制冷加工或热加工中机件的温度场；交通运输业在冻土地带修建铁路、公路；核能、航天等尖端技术中也都存在大量传热问题需要解决；太阳能、地热能、工业余热利用及其他可再生能源工程中高效能换热器的开发和设计等；应用传热学知识指导强化传热或削弱传热达到节能目的；其他如农业、生物、医学、地质、气象、环境保护等部门，无一不需要传热学。因此，传热学已是现代技术科学的主要技术基础学科之一。近几十年来，传热学的成果对各部门技术进步起了很大的促进作用，而传热规律的深入研究，又推动了学科的迅速发展。

在建筑领域，我国建筑消耗的能源与社会全部能源之比，已经接近1/3，而建筑供热能耗占到其中的1/2，现有的400多亿平方米（2006年）建筑中95%左右是高能耗，单位建筑面积采暖能耗相当于相同气候地区发达国家的2-3倍。即使是新建的，也有50%是高能耗。这种现状，使“建筑节能”已经成为十分紧迫的问题。因此，从2005年开始，国内所有新建筑工程，都被强制要求在以往的能源消耗水平上节约65%。几百亿平方米的旧建筑，也要逐步进行改造，达到节能的要求，这是新时代的巨大工程，为实现节能所采取的技术措施必然涉及传热学知识。例如各种建筑围护结构材料、门窗、供热设备管道的保温材料等的研制、生产、施工及其热物理性质的测试、热损失的分析计算；热源和冷源设备的选择、配套和合理有效利用；供热通风空调及燃气产品的开发、设计和实验研究；各类采暖散热器和换热器的设计、选择和性能评价；建筑物的热工计算和环境保护等等。传热学成为本专业的重要技术基础课程。

热传递过程有时还伴随着由于物质浓度差引起的质量传递过程，即传质过程。如空调系统中，冷的喷淋水与空气的热质交换过程；湿空气参数的测量；蒸发式冷凝器中冷却水蒸发时的传热和传质；建筑围护结构中水分的转移过程；水果蔬菜等农产品的气调保鲜等等，都与传质密切相关。为此，本书在着重阐述传热问题之后，还以专门的一章，讨论由浓度差引起的质传递问题的基本规律和计算。

ht0.doc 绪论 ２

0－1热传递的基本方式

为了由浅入深地认识和掌握热传递规律，先来分析一些常见的热传递现象。例如密实的房屋砖墙或混凝土墙在冬季的散热，整个过程如图0－1所示可分为三段，首先热由室内空气以对流换热和墙与室内物体间的辐射方式传给墙内表面；再由墙内表面以固体导热方式传递到墙外表面；最后由墙外表面以空气对流换热和墙与周围物体间的辐射方式把热传递到室外环境。显然在其他条件不变时，室内外温度差越大，传递的热量也越大。又如，热水采暖散热器的热传递过程，热水的热量先以对流换热方式传给散热器壁内侧，再由导热方式通过壁，然后散热器壁外侧以空气对流换热和壁与周围物体间的辐射换热方式将热量传给室内。从实例不难了解，热量传递过程是由导热、热对流、热辐射三种基本热传递方式组合形成的。要了解传热过程的规律，就必须首先分别分析三种基本热传递方式。绪论将对这三种基本热传递方式作扼要解释，并给出它们的最基本的表达式，使读者对传热学的全貌和学习目的有一梗概认识。

图0—l 墙壁的散热 一、导热

导热又称热传导，是指物体各部分无相对位移或不同物体直接接触时依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而进行的热量传递现象，导热是物质的属性，导热过程可以在固体、液体及气体中发生。但在引力场下，单纯的导热一般只发生在密实的固体中，因为，在有温差时，液体和气体中可能出现热对流而难以维持单纯的导热。 大平壁导热是导热的典型问题之一，参见图0-2。由前述墙壁的导热过程看出，平壁导热量与壁两侧表面的温度差和平壁面积成正比；与壁厚成反比；并与材料的导热性能有关。因此，通过平壁的导热量的计算式是： ????tA W (0-1a) ?或热流密度（每平方米的热流量）

ht0.doc 绪论 ３

q???t?W/m2 (0-1b)

式中 A— 壁面积，m2 ? — 壁厚， m；

?t— 壁两侧表面的温差，?t?tw1?tw2 ，℃；

?— 比例系数，称为导热系数或热导率，其意义是指单位厚度的物体具有单位温度差时，在它的单位面积上每单位时间的导热量，它的国际单位是 W／( m·K)。它表示材料导热能力的大小。导热系数一般由实验测定，例如，普通混凝土??0.75~0.8 W／(m·K), 纯铜的?将近400 W／(m·K) 。

在传热学中，常用电学欧姆定律的形式〈电流=电位差／电阻〉来分析热量传递过程中热量与温度差的关系。即把热流密度的计算式改写为欧姆定律的形式 热流密度： q = 温度差?t/热阻Rt W/m2 (0-2)

与欧姆定律对照，可以看出热流相当于电流；温度差相当于电位差；而热阻相当于电阻。如是，得到一个在传热学中非常重要而且实用的概念——热阻。对不同的热传递方式，热阻Rt的具体表达式将不一样。以平壁为例改写式(0-1b)，得 q??t?t W/m2 (0－1c) ??/?R?用R?表示导热热阻，则平壁导热热阻为R???/?, m2·K/ W。可见平壁导热热阻与壁厚成正比，而与导热系数成反比。R?大，则q小。利用式(0－1a), 对于面积为A m2的平壁，则热阻为δ/(λ·A)，K/W。热阻的倒数称为热导，它相当于电导。不同情况下的导热过程，导热的表达式亦各异。本书将就几种典型情况下导热的宏观规律及其计算方法分章论述。

二、热对流

只依靠流体的宏观运动传递热量的现象称为热对流,是热传递的另一种基本方式。设热对流过程中，质流密度m [kg/(m·s)]保持恒定的流体由温度t1的地方流至t2处 ，其比热容为cp[J/(kg·K)], 则此热对流传递的热流密度应为：

q?mcp(t2?t1) W/m (0－3)

但是，工程上经常涉及到的传热现象往往是流体在与它温度不同的壁面上流动时，两者间产生的热量交换，传热学把这一热量传递过程称为“对流换热(也称放热)”过程。因为对流换热过程的热量传递涉及到诸多影响因素，是一个复杂的换热过程，因此它已

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ht0.doc 绪论 ４

不再属于热传递的基本方式，这种情况下可采用对流换热计算式①计算热流密度—通称“牛顿冷却公式”，即： q?h(tw?tf)?h?t式中 tw——壁表面温度，℃； tf——流体温度，℃；

?t——壁表面与流体间温度差，℃；

h——表面传热系数，其意义是指单位面积上，流体与壁之间在单位温差下及单位时间内所能传递的热量。常用的表面传热系数单位是J/(m2·s·K)或W/(m2·K)。h的大小表达了对流换热过程的强弱程度。例如采暖热水散热器外壁和空气间的表面传热系数约为1-10 W／(m2·K)，而它的内壁和热水之间的h 则可达数千 W／(m2·K)。 附录 l l列有一些典型条件下h的概略范围，供读者参考。由于h受制于多项影响因素，故研究对流换热问题的关键是如何确定表面传热系数。本书将对一些工程中常见的典型对流换热过程进行分析，并提供理论解或实验解。 按式(0－2)式提出的热阻概念改写式(0—4a)得 q??t?t (0－4c) ?1/hRh W / m2 (0－4a)

W (0－4b)

或面积A m2上的热流量： ??h(tw?tf)A?h?tA式中 Rh?1/h 即为单位壁表面积上的对流换热热阻[ m2·K/W ], 利用式(0－4b)，则表面积为A m2的壁面上的对流换热热阻为1／(h·A)，单位是K／W。

三、热辐射

导热或对流都是以冷、热物体的直接接触来传递热量，热辐射则不同，它依靠物体表面对外发射可见和不可见的射线(电磁波，或者说光子)传递热量。物体表面每单位时间、单位面积对外辐射的热量称为辐射力，用E表示，它的常用单位是 J／(m2?s)或 W／m2,其大小与物体表面性质及温度有关。对于黑体(一种理想的热辐射表面)，理论和实验证实，它的辐射力Eb与表面热力学温度的4次方成比例，即斯蒂芬—玻尔茨曼定律： Eb??bT4 W／m2 ???bT4A W (0－5a) 上式亦可写作：

①

1701年牛顿在分析热物体被流经其表面的冷流体冷却的现象时，认为换热量将与两者的温度差成正比，提出了

q?(tw?tf)表达式，后人把它改写为式（0-4），并称为牛顿冷却公式。

ht0.doc 绪论 ５

?T?2

Eb?Cb?? W／m

?100?T4)A W (0－5b) ??Cb(1004式中 Eb——黑体辐射力， W／m2 ；

?b——斯蒂芬—玻尔茨曼常量，亦称黑体辐射常数，?b=5.67 ×10?8

W/(m2?K4)

Cb——黑体辐射系数，Cb?5.67 W/(m2?K4)； T——黑体表面的热力学温度， K。

一切实际物体的辐射力都低于同温度下黑体的辐射力，等于 E???bT4 W／m2

T4) W／m2 (0－5c) E??Cb(100式中 ε为实际物体表面的发射率，也称黑度，其值处于0～1之间。

物体间靠热辐射进行的热量传递称为辐射换热，它的特点是：在热辐射过程中伴随着能量形式的转换(物体内能→电磁波能→物体内能)；不需要冷热物体直接接触；不论温度高低，物体都在不停地相互发射电磁波能，相互辐射能量，高温物体辐射给低温物体的能量大于低温物体向高温物体辐射的能量，总的结果是热由高温传到低温。 两个无限大的平行平面间的热辐射是最简单的辐射换热问题，设它的两表面热力学温度分别为T1 和 T2 ，且T1＞T2，则单位面积高温表面在单位时间内以辐射方式传递给低温表面的辐射换热热流密度的计算式是：

??T1?4?T2?4?2 q?C1,2??????? W/m (0－5d)

??100?????100???T1?4?T2?4?或Am上的辐射热流量 ??C1,2???????A W (0－5e)

???100??100???式中C1,2称为 l和2两表面间的系统辐射系数， 它取决于辐射表面材料性质及状态，其

2值在0～5.67之间。关于辐射换热热阻的表述，将在第九章讨论。本书的辐射换热部分将论述热辐射的宏观规律及若干典型条件下的辐射换热计算方法。

0－2传 热 过 程

工程中经常遇到冷热两种流体隔着固体壁面的换热，即热量从壁一侧的高温流体通

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