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內容介紹
《工程傳熱傳質學（第2版）》是為滿足研究生 培養需要而撰寫的，全書共16章，分上、下兩冊。本 書是其中的上冊，由王補宣編著。本書包括第1～7章 。第1章為全書總綱性導論，第2～7章係統深入地闡 明傳熱基本方式的導熱、輻射傳熱和對流傳熱，包括 對流分析的理論基礎。注重明確的物理概念，並且嚴 格地由過程的物理模型建立起相應的數學模型，著重 啓示工程應用、分析研究的基本觀點和演習數理方程 的解法。
本書可供從事傳熱傳質研究和高新技術開發研究 的工程設計人員參考，也可供高等院校師生，從事交 叉學科領域及需要充實傳熱傳質基礎知識及其運用者 參考。


目錄
目錄 第二版前言 第*版(下冊)前言 第1章 導論 1 §1-1 傳熱傳質學的研究對象和方法 1 §1-2 傳熱的基本方式 3 §1-3 導熱的基本定律和導熱係數 6 §1-4 對流換熱和放熱係數 12 §1-5 熱輻射的基本定律和輻射換熱 15 §1-6 穩定傳熱與電路模擬分析法 21 §1-7 傳質與質擴散係數 23 §1-8 單位製 25 參考文獻 27 第2章 導熱理論及其在一維穩定導熱解析中的應用 29 §2-1 導熱微分方程 29 §2-2 導熱過程的單值性條件 34 §2-3 直角坐標的一維穩定導熱 36 §2-4 圓柱坐標的一維穩定導熱 43 §2-5 球坐標的一維穩定導熱 50 §2-6 有內熱源的一維穩定導熱 52 §2-7 樞軸的穩定導熱 62 §2-8 肋壁的穩定導熱 66 §2-9 接觸熱阻 75 參考文獻 77 第3章 二維和三維穩定導熱 79 §3-1 分析方法概述 79 §3-2 解析法 80 §3-3 虛擬熱源和映象法 87 §3-4 圖解法 92 §3-5 數值解法 95 §3-6 模擬法 105 §3-7 導熱形狀因子 107 參考文獻 109 第4章 不穩定導熱 111 §4-1 內部熱阻可被忽略時的不穩定導熱 111 §4-2 大平闆的不穩定導熱 121 §4-3 半無限大物體的不穩定導熱 127 §4-4 不穩定導熱圖錶 134 §4-5 周期性的受熱或冷卻 143 §4-6 不穩定導熱的數值解法 149 §4-7 不穩定導熱的圖解法 154 §4-8 不穩定導熱的熱源解法 158 §4-9 移動熱源的動坐標轉換法 167 參考文獻 173 第5章 熱輻射性質 175 §5-1 熱輻射的物理基礎 175 §5-2 固體和液體的熱輻射性質 183 §5-3 氣體熱輻射性質 188 §5-4 火焰輻射 198 §5-5 自然環境中的熱輻射 200 參考文獻 208 第6章 輻射傳熱 211 §6-1 由透明介質隔開的固體之間的輻射換熱 211 §6-2 角係數 222 §6-3 輻射傳熱的網絡模擬法 232 §6-4 遮熱闆 236 §6-5 正反射錶麵之間的輻射換熱 239 §6-6 通過吸收和透射性介質的輻射換熱 244 §6-7 輻射放熱係數和輻射導熱係數 250 §6-8 平衡溫度 251 §6-9 輻射能的傳遞方程 255 參考文獻 259 第7章 對流傳熱原理 260 §7-1 對流換熱的物理基礎 260 §7-2 流體運動的基本方程 277 §7-3 不可壓流體沿平闆邊界層層流放熱的精確解法 286 §7-4 邊界層近似分析解法 299 §7-5 湍流時熱量傳遞與動量傳遞的比擬 310 §7-6 不可壓流體沿平闆邊界層湍流時的放熱 316 §7-7 湍流傳熱理論的進展 321 §7-8 量綱分析和相似原理 329 參考文獻 336 索引 339

在綫試讀
第1章導論 §1-1傳熱傳質學的研究對象和方法 傳熱傳質學是研究由於有溫度差異所引起的能量傳遞過程？包括有“相變”時的相際傳遞和多組分物係因組分分布不均勻的濃度差異伴隨發生物質遷移現象的一門科學？ 差異就是矛盾,當物體內部或物係之間齣現溫度差異,或者溫度不相同的物體彼此接觸時,就有瞭相對比較“熱”和“冷”的矛盾雙方,總會發生熱量從溫度較高區傳往溫度較低區的傳遞過程,常稱之為“傳熱”？所傳遞的熱量,無法直接看到,但所産生的效應是可被觀察和測定的？體積不變時的物體得到或傳齣熱量,將引起“內能”的增減,反映為溫度的升降,或者産生“相”和凝聚態的變化？自發的傳熱,永遠使對立的冷？熱雙方各自嚮自己的反麵轉化:原先溫度比較高的,因傳走熱量而逐漸被冷卻;原先溫度比較低的,則因得到熱量而逐漸被加熱？這樣,隨著相互之間溫度差異的縮小,zui終將建立起溫度一緻的“平衡”狀態？如果想維持某部分的溫度高於另一部分的溫度,就必須從外界不斷嚮溫度高的那部分補充所傳走的熱量,並從溫度低的那部分取走所傳入的熱量？ 傳熱,當然包括熱量傳遞同時,齣現能量形式之間轉化的更復雜的過程？例如,高速氣流對固體錶麵的“氣動加熱”效應,電機電器的通電發熱,電光源在白熾高溫下的輻射熱,化學反應總伴隨著吸熱或者放熱等,所傳遞的熱量就來源於機械能？電能？光能？化學能等其他形式的能量轉化為內部分子隨機“熱運動”形式的熱能？因此,廣義的傳熱學可被看做是“能量傳遞學”？而研究熱和其他形式能量之間相互轉化的科學分支是“熱力學”？這錶明:傳熱過程必須遵守熱力學第*定律和熱力學第二定律這兩個自然規律？熱力學第*定律所闡明的,是運動不滅？能量守恒和可轉化的自然法則,任何傳熱過程決不能違背能量收支平衡的原則？熱力學第二定律指齣自然界的過程總是有條件進行的,傳熱隻能從溫度較高處傳往溫度較低處,引起“熵”增和能量可用性的損失[1,2]？熱力學把傳熱量和功量(包括機械功？電功等)作為“轉移能”而與宏觀的位能？動能？內能的作為“儲存能”明確區彆開來？轉移能是由過程前後儲存能的改變轉化來的？但是,經典熱力學隻限於研究“平衡態”和保持動平衡的“可逆過程”？而熱量傳遞的過程是溫度不平衡的結果,是典型的不可逆過程,必須由另一個學科分支對傳熱的快慢程度進行定量分析和計算,這個學科分支就是“傳熱學”？具體地說,如果不發生能量形式的轉化,單純傳熱過程的外傳熱量將是過程前後的內能差與功量的代數和？這種熱力學分析,既不涉及傳熱的機理,也不涉及外傳熱量所需時間的長短？溫差越大,傳熱越快,引起能量可用性的損失越多？專門研究傳熱的規律,計算給定條件下的傳熱速率和“熱流量”①的大小,是傳熱學的任務？傳熱學和熱力學,是理解各種熱物理現象的理論基礎,也是創新熱利用和熱管理技術及其經濟性分析的重要依據？ 在現代工程設計和運行中,經常遇到有關加熱/冷卻？蒸發/凝結？熔化/凝固？隔熱保溫等各種各樣的實際問題？例如,熱工和化工技術人員在評價鍋爐？製冷機？換熱器和反應器的設備大小？能力和技術經濟指標時,就必須進行詳盡的傳熱分析？一些工作在高溫氣氛下的部件,如燃氣輪機的透平葉片和燃燒室壁,能否在設計工況下長期正常運行,取決於保護金屬結構材料的冷卻措施是否閤適可靠,還需重視熱應力和由此引起的形變等問題？許多新興技術裝備,如原子反應堆的堆芯？大功率火箭的噴管？緊密的電子器件？重返地麵的宇宙飛行器等,要使設計和運行安全可靠,必須嚴密控製傳熱情況以維持閤理的預期工作溫度？而對連續工作的電機？變壓器和軸承,同樣要防止因超溫過熱而損傷設備？在機械製造工藝方麵,不僅熱加工直接牽涉到溫度分布和隨時間變動速率的控製問題,精密機床的切削速度也會引起刀具和加工件的發熱並影響加工精度和刀具壽命？建築部門將遇到圍護結構的隔熱保溫？大型混凝土結構在快速澆灌中齣現熱應力等技術問題？列舉的所有傳熱問題可歸納為兩種類型:一類著眼於傳熱速率的大小及其控製問題,或者增強傳熱以縮小設備尺寸或提高生産能力,或者削弱傳熱以避免散熱損失或保持設備內部低於周圍環境溫度;另一類著眼於溫度分布及其控製問題？控製傳熱,必須按照客觀規律,分析傳熱的具體情況,找齣有效的控製措施？有關高溫部件保護性冷卻的進展,使傳熱與傳質緊密地結閤起來,傳熱學逐漸引申為傳熱傳質學？ 像其他工程科學一樣,工程傳熱傳質學也需要在解決實際問題時作齣適當的假定和簡化條件？對工程研究來說,通常不可能完全確切地描寫實際現象的一切方麵,總要揚棄某些次要方麵,作齣近似化的處理？這可以運用“數量級”分析的方法,暫時先忽略那些影響程度相對很小的因素,使復雜的問題基本得到解決而又保證必要的準確性？當然,在錶達這種zui後的解答時,一定要強調所依據的假定和近似假設條件？物質的熱力學性質和傳遞性質(或叫“遷移性質”),往往隨溫度改變,如果選定適宜的平均值並取作常量處理,傳熱速率的計算將大為簡化,不會引起zui終結果的明顯誤差？例如,固體受熱時,體積膨脹所做的功,相對於內能的增加,總可被忽略不計;氣體分子的間距雖比固體和液體的都大,除非壓力太低,氣體過於稀薄,分子相互碰撞的“自由徑”長度比起傳熱分析所考慮對象的幾何尺寸來,仍然小到可以看做是“連續”介質？再例如,長期連續運行後,會使鍋爐？換熱器和反應器的受熱麵上結垢而削弱傳熱速率,需要在設計時引進閤理的安全係數或預估垢層影響,免得運行一段時間後達不到銘牌齣力？這種解決問題的簡化和近似,需要從事設計和運行改進的科技人員具有一定的工作經驗和細緻考慮問題的能力？ 自然界到處存在著溫度差異,傳熱是一種非常普遍的自然現象？但是,傳熱又有它復雜的一麵,可以有不同的基本方式;傳熱速率並不由單一的關係式所決定,而是不同的方式分彆受不同物理定律的製約？所以,盡管人們基於對熱與冷的現象本質的追究,很早就開始摸索傳熱的規律性,但傳熱學單獨形成一門係統的科學,卻隻有一個世紀的曆史？理論的基礎是實踐,又轉過來為實踐服務？隨著科學技術的日新月異,特彆在原子能和其他新能源的開發利用？宇宙航行等尖端技術方麵不斷齣現新的傳熱和隔熱等關鍵問題,促使傳熱學得到越來越迅速的發展？電子計算機的逐步普及,計算和測試技術的繼續改進,也正在豐富傳熱傳質研究的手段,從而加速傳熱傳質研究的進展？ 本章作為全書的總綱性導論,在隨後幾節中將扼要介紹傳熱的基本方式,給齣有關的定義和zui基本的概念,以便由淺入深？由簡單到復雜,相互聯係地分章討論時,不會看不到全局而損害對整體的考慮？既重視本質性的基礎分析,也適當展示應用的發展趨勢性,提供相關的資料信息？ §1-2傳熱的基本方式 在傳熱文獻裏,通常認為傳熱可有三種不同的基本方式:“熱傳導”？“熱對流”和“熱輻射”？ “熱傳導”簡稱“導熱”,是指溫度不同的各部分物質僅僅由於直接接觸,沒有相對宏觀運動時所發生的能量傳遞現象？導熱是物質的本能？如果追根究底,根據分子運動論,溫度是物質熱運動激烈程度的衡量,隻要物體內部溫度分布不均勻,不同地點微觀粒子的動能就不會相等,通過氣體中分子或原子彼此碰撞？液體和不導電固體(介電質)中彈性波的作用,或者在金屬中還依靠自由電子從溫度較高區嚮較低區的擴散而引起能量的傳播？ “熱對流”是指流體(氣體或液體)中溫度不同部分相互混閤的宏觀對流運動引起熱量傳遞的現象？流體溫度分布不均勻時,也將本能地産生導熱？因此,熱對流總和流體的導熱同時發生,原則上可以看做是流體流動時的導熱？工程上zui具有實際意義的是相對運動著的流體與所接觸的固體壁麵之間的熱量交換,一般稱為“對流換熱”,簡稱“放熱”或“給熱”過程？無論“放熱”或“給熱”都不過是一種技術名詞,用來泛指流體與壁麵之間溫度較高的一方把熱量傳給溫度較低的另一方？此時,流體的運動情況將主要影響熱對流作用的有效性？研究對流傳熱,總離不開流體的導熱和流體力學的基礎性考慮？ “熱輻射”是指物質對外發射波長0.1~100μm的“熱射綫”在空間傳遞能量的現象？波長從單色紫光的0.38μm到單色紅光的0.76μm的部分熱射綫是人眼能分辨的可見光,波長超過0.76μm的射綫是紅外綫,而波長短於0.38μm的則是紫外綫？習慣上,“輻射”常被用來概括電磁波的發射,電磁波所載運的能量就稱為“輻射能”,是以光速推進？依靠光(量)子傳遞的能量,可以更形象地把發射電磁波當做對外發射射綫的“能束”？熱射綫載運的輻射能則稱為“輻射熱”？太陽嚮地球錶麵輻射熱量,就是典型的熱輻射過程？其實,任何可見的物體都在連續嚮外發射輻射熱,溫度越高,不僅熱輻射越強,而且輻射能量按波長分布的比重將越多地從紅外轉嚮可見光部分？例如,工程上zui常遇到的是溫度低於1500℃的熱輻射,輻射能量絕大部分集中在紅外部分,可見光和紫外部分所占的份額小到可忽略不計？正由於這個緣故,往往把熱輻射看做是紅外輻射？但是,太陽錶麵溫度高達6000K左右,太陽輻射熱總量1/3集中分布在可見光部分？可見光的輻射可直接觀察,所以常用光輻射來對比理解熱輻射現象？當熱射綫穿過空間,落在固體或流體錶麵時除瞭一部分能量將被錶麵反射以外,都將被錶麵薄層裏密集的分子所吸收？金屬的這個錶麵薄層厚度隻有零點幾微米,非導電體也不過零點幾毫米？玻璃？石英之類的固體和多數液體對於可見光具有一定的透明性,對紅外輻射同樣錶現為強烈的吸收性？可以認為:在一般密實固體內部和液體中不會有輻射熱的傳播？氣體分子的自由徑較大,容許熱射綫在分子之間的空隙裏穿行,而熱輻射可透過相當厚的氣體層？ 熱輻射不同於導熱和熱對流,是不接觸的傳熱方式,不依賴常規物質的中間媒介作用,是高度真空中唯*能傳遞能量的方式？兩個不接觸的物體錶麵,或者固體或液體錶麵與周圍氣體間的相互輻射和吸收,就構成“輻射換熱”或“輻射傳熱”過程,引起淨熱量從溫度較高的一方嚮溫度較低的另一方轉移？除非存在空氣夾層或者氣隙,在不透明的密實固體內部隻能由導熱傳遞熱量？液體和氣體各處的溫度不一緻時,除瞭流體(液體或氣體)層非常薄以外,總會在發生導熱的同時,因密度的差異齣現“自然對流”？氣體中,還可以有熱輻射起作用？無論導熱？對流換熱或輻射換熱,都需要有傳熱溫差,這是它們的共性？工程上常遇到的傳熱過程,往往是導熱？熱對流和熱輻射三種方式的具體組閤？例如,對於現代工業企業裏zui常見的各種換熱器,讓溫度不同的兩種流體(氣體或液體)在器內流過時,為瞭防止它們彼此混雜而用固體壁隔開,這樣,從進口到齣口,熱流體傳熱給冷流體的結果是熱流體被冷卻,而冷流體則被加熱？在圖1-2-1示意的熱流體傳熱給冷流體的整個過程中,實際上包含三個串聯的階段:熱流體與固體壁麵左側錶麵之間的對流換熱;固體壁內部的導熱;固體壁右側錶麵與冷流體之間的對流換熱？當流體不是液體而是氣體時,壁麵和氣體之間既可以依靠對流換熱,還可以因壁麵發射和吸收熱射綫而齣現輻射換熱？若熱流量Q①不隨時間改變,則稱換熱的工況“穩定”？此時,熱流量Q也必須沿途成為常量？因為左側傳給壁麵的熱流量Q1若與右側從壁麵傳走的熱流量Q2不相等時,固體壁就會蓄積或者損失熱量,錶現為壁溫的升降,從而改變壁和兩側流體之間的溫差,不可能保持原有的熱流量Q1和Q2穩定不變？ 分析實際傳熱問題,不僅需要弄清楚哪些基本方式在起作用,還應搞清傳熱過程屬於“穩定”還是“不穩定”②？工程傳熱問題很多屬於工況“穩定”的類型？調節換熱器的工況,改變熱流體/冷流體的進口溫度和流量時,或者把熱處理件投入爐中加熱升溫所經曆的是不穩定傳熱過程？這種隨時間變動的熱現象總是比穩定傳熱的現象復雜得多？一種特殊的情況是環境溫度重復周期性地變化,當每一個周期都與前一個周期或後一個周期的發展過程完全相同時,就稱其為“周期性傳熱”或“準穩定傳熱”過程？ 參看圖1-2-1,經驗錶明:在穩定工況下,每單位時間通過平壁所傳遞的“熱流量”Q將正比於平壁兩側流體的溫差(tf,1-tf,2)(℃)和平壁錶麵積F(m2),或 式中,比例係數k以W/(m2？℃)③計,稱為“傳熱係數”,代錶兩側流體溫度相差1℃時,單位時間每平方米傳熱麵積所能傳遞的熱量？若引進單位麵積的“熱流密度”(或“熱流通量”,也可稱為“熱流強度”)q(W/m2),即q=Q/F,代錶每平方米傳熱麵積所負擔的熱流量,則 換熱器所需承擔的總熱流量Q可以看做是換熱器的“總熱負荷”,而q則是“麵積熱負荷”？很明顯,傳熱係數k越大,傳熱越強烈,換熱器能夠承擔更大的“麵積熱負荷”,具備更大的傳熱能力？但是,k值隻錶徵過程進行強弱的數字鑒定,並未揭示齣過程的實質？如果兩個結構完全相同的換熱器,試驗的結果指齣一個換熱器的傳熱係數k1高於另一個換熱器的傳熱係數k2,那麼僅從這兩個數值k1和k2還不能確定第二個換熱器工作不好的原因？圖1-2-1所示意的通過平壁的穩定傳熱過程實際上有著廣泛的代錶性,如鼕季的室內空氣嚮室外大氣的散熱？各種工業爐和鍋爐爐牆的對外散熱等,都是這方麵的典型實例？此時,和換熱器相反,k值越大,說明熱損失越多,要想維持適宜的室溫和爐內溫度,就需要增加供熱設備的負擔？ 任何有意義的工程分析,總包含兩個方麵:定性判斷和定量計算？舉例來說,要改進換熱器的工作,提高它的傳熱能力,需要具體進行定性分析,判斷增大傳熱速率的各種可能途徑,通過定量計算以確定傳熱速率究竟能增大到多大？事實上,傳熱係數k的大小將取決於兩種流體的各自性質和流動情況以及固體壁的材料？形狀和大小等許多因素？作齣這種影響k值的定性和定量分析,必須研究各種不同的傳熱方式所受控的物理定律和關係式,弄清楚各不同傳熱方式同時起作用的並聯或串聯的性質？ §1-3導熱的基本定律和導熱係數 導熱屬於接觸傳熱,是連續介質就地傳遞熱量,並無各部分物質之間宏觀的相對位移？在密實？不透明的固體內部,隻能依靠導熱的方式傳遞熱量？導熱永遠和溫度分布不均勻聯係在一起,是熱運動的擴散傳播？ 在(x,y,z)直角坐標係中,連續介質各個地點在同一時刻τ的溫度分布,亦即“溫度場”zui一般的數學錶達式為t=f(x,y,z,τ)(a) 溫度場不隨時間變動時稱為“穩定溫度場”,由此産生的導熱為“穩定導熱”？溫度隻沿x一個坐標軸發生變化的“一維”穩定溫度場具有zui簡單的數學錶達式:t=f(x)？t為常量時就變成溫度均勻一緻的平衡態,不會再有導熱現象存在？ 圖1-3-1溫度梯度定義的示意圖 任何給定地點的溫度不可能在同一時刻τ具有一個以上的不同值,所以兩個不同溫度的等溫麵或兩條等溫綫絕不會彼此相交？參看圖1-3-1,在等溫麵上,不存在溫度差異,也就不可能有熱量的傳遞？導熱隻能沿著等溫麵的法綫方嚮,並且朝著溫度降低的方嚮進行？令 錶示τ時刻？在某個地點朝著溫度增加方嚮的溫度變化率,稱為“溫度梯度”？如果是穩定溫度場,那麼溫度梯度僅僅決定於地點,不跟隨時間而變動？此時
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