1.1 传热学概述

传热学是研究热量传递过程规律的一门科学。凡有温度差，就有热量自发地从高温物体传递到低温物体。

由于自然界和生产过程中到处都存在温度差，因此，传热是自然界和生产领域中非常普遍的现象，传热学的应用领域也十分广泛。传热学已是现代技术科学的主要技术基础学科之一，诸如以下领域都离不开传热学。

1）各种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。

2）化学工业生产为维持化学工艺流程的温度而研制特殊要求的加热或冷却技术及余热回收。

3）电子工业中为解决超大规模集成电路或电子仪器而需研究散热方法。

4）机械制造工业测算和控制冷加工或者热加工中机件的温度场。

5）输电领域中为提高电力设备在高电压、大电流下的运行稳定性而研究其发热及散热特性。

6）核能、火箭等尖端技术中存在的需要解决的传热问题。

7）太阳能、地热能和工业余热利用工程中高效能换热器的开发和设计，以及应用传热学知识指导强化或削弱传热，达到节能目的。

8）其他如农业、生物、地质、气象、环保等。

近几十年来，传热学的成果对各个领域技术进步起到了很大的促进作用，而传热学向各个技术领域的渗透又推动了学科的迅速发展。

在电力行业与电力设备制造领域中更是不乏传热问题。例如电动机和变压器中冷却风扇的选择、配套和合理有效的利用，散热窗的布置与散热通道的开发、设计与实验研究，各供热设备管道的保温材料及建筑围护结构材料等的研制及热物理性质的测试、热损失的分析计算，各类换热器的设计、选择和性能评价等，都要求具备一定的传热学知识。传热学是一门重要的技术基础课程。

1.1.1 传热的基本方式

为了由浅入深地认识和掌握传热的规律，先来分析一些常见的传热现象。例如房屋墙壁在冬季的散热，整个过程如图1-1所示，可分为三段：首先热量由室内空气以对流换热的方式以及墙与室内物体之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以及墙与周围物体间的辐射方式把热量传到室外环境。显然，在其他条件不变时，室内外的温度差越大，传热量也越大。

又如，在热水暖气片的传热过程中，热水的热量先以对流换热的方式传递给壁内侧，再以导热方式通过壁，然后壁外侧空气以对流换热和壁与周围物体的辐射换热方式将热量传递给室内。

从上述两个简单传热过程的描述不难理解，传热过程是由导热、热对流及热辐射三种基本传热方式组合形成的。要了解传热过程的规律，就必须首先分析三种基本传热方式。

本节将对这三种基本传热方式给出简要解释，并给出它们最基本的表达式，使读者对传热学有一个基本的了解和认识。

1.导热

导热又称为热传导，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。由前述墙壁的导热过程看出，平壁热量与壁两侧表面的温度差成正比，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(单位为W)的计算式是

或热流密度(单位为W/m²)

式中 A——壁面积，单位为m²；

δ——壁厚，单位为m；

Δt——壁两侧表面的温差，Δt=t_w1-t_w2，单位为℃；

λ——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，单位为W/(m·K)。

导热系数表示材料导热能力的大小，一般由试验测定，例如，普通混凝土λ=0.75~0.8W/(m·K)，纯铜的λ将近400W/(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

与欧姆定律对比，可以看出热流相当于电流；温度差Δt相当于电位差；而热阻R_t相当于电阻。于是，得到了一个在传热学非常重要而且适用的概念——热阻。

对不同的传热方式，热阻R_t的具体表达式将是不一样的。以平壁为例，改写式（1-1b）得

用R_λ表示导热热阻，则平壁导热热阻为R_λ=δ/λ，单位为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_λ越大，则q越小。利用式（1-1a），对于面积为A的平壁，热阻为δ/（λA）（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的导热的宏观规律及其计算方法分章节进行论述。

2.热对流

依靠流体的运动，把热量由一处传递到另一处的现象，称为热对流，热对流是传热的另一种基本方式。若热对流过程中，单位时间单位面积内有质量为M的流体由温度t₁的地方流至t₂处，其比热容为c_p，则此热对流的热流密度应为

但值得注意的是，传热工程涉及的问题往往不单纯是热对流，而是流体与固体壁直接接触时的换热过程，传热学把它称为“对流换热”，也称为放热。而且因为有温度差，热对流将同时伴随热传导，所以，对流换热过程的换热机制既有热对流的作用，亦有导热的作用，故对流换热与热对流不同，它已不再是基本传热方式。计算对流换热的基本公式是牛顿于1701年提出的，即

或

式中 t_w——固体壁表面温度，单位为℃；

t _f——流体温度，单位为℃；

Δt——壁表面与流体温度差，单位为℃；

h——对流换热表面传热系数，其物理意义是单位面积上流体同壁面之间的单位温差在单位时间内所能传递的热量，单位为J/(m²·s·K)或W/(m²·K)。

h的大小表达了该对流换热过程的强度。例如热水暖气片外壁面和空气间的表面传热系数约为6W/（m²·K），而它的内壁面和热水之间的表面换热系数值则可达数千。

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。本书将对一些典型情况下的对流换热过程进行分析，并提供理论解与实验解。

式（1-4a）称为牛顿冷却定律（牛顿冷却公式）。按式（1-2）提出的热阻概念改写式（1-4a）得到如下关系式：

式中，R_h=1/h是单位壁表面积上的对流换热热阻，单位为m²·K/W，根据式（1-4b），则表面积为A的壁面上的对流换热热阻为1/（hA），单位为K/W。

3.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的，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来表示，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），根据理论和实验验证，它的辐射力E_b与表面热力学温度的4次方成比例，即斯特藩-玻尔兹曼定律：

上式也可以写作

式中 E_b——黑体辐射力，单位为W/m²；

σ _b——斯特藩-玻尔兹曼常数，亦称为黑体辐射常数，σ_b=5.67×10^-8W/(m²·K⁴)；

C _b——黑体辐射系数，C_b=5.67W/(m²·K⁴)；

T——热力学温度，单位为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

式中，ε是实际物体表面的发射率，也称为黑度，其值范围为0～1。

物体间通过热辐射进行的热量传递称为辐射传热，它的特点有：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）；不需要冷却物体直接接触；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，总的结果是热量由高温传到低温。

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，则两表面间单位面积、单位时间辐射换热热流密度的计算公式为

或面积A上的辐射热流量为

式中，C_1,2是1和2两个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，其值范围为0～5.67。关于辐射换热热阻的表述，将在后面讨论。

1.1.2 传热过程

工程中经常遇到两流体通过壁面的换热，即热量从壁一侧的高温流体通过壁传给另一侧的低温流体的过程，称为传热过程。在初步了解前述基本传热方式后，即可导出传热过程的基本计算式。

设有一大平壁，面积为A；它的一侧为温度t_f1的热流体，另一侧为温度t_f2的冷流体；两侧对流换热表面传热系数分别为h₁、h₂；壁面温度分别为t_w1和t_w2；壁的材料导热系数为λ；壁厚度为δ；如图1-2所示。

又设传热工况不随温度变化，即各处温度计热量不随时间改变，传热过程处于稳态，壁的长和宽均远大于它的厚度，可认为热流方向与壁面垂直。

若将该平壁在传热过程中的各处温度描绘在t-x坐标图上，图中的曲线所示即该壁传热过程的温度分布线。

按图1-1所示的分析方法，整个传热过程分三段，分别用下列三个公式表示。

1）热量由热流体以对流换热传给壁的左侧，按式（1-4a），其热流密度为

q=h₁(t_f1-t_w1)

2）该热量又以导热方式通过壁，按式（1-1b）：

3）它再由壁右侧以对流换热传给冷流体，即

q=h₂(t_w2-t_f2)

在稳态情况下，以上三式的热流密度q相等，把它们改写为

三式相加，消去t_w1和t_w2，整理后得该壁面传热热流密度为

对面积为A的平壁，传热热流量Φ为

式中

k称为传热系数，它表明单位时间、单位壁面积上，冷热流体间每单位温度差可传递的热量，k的国际单位是J/（m²·s·K）或W/（m²·K），故k能反映传热过程的强弱。为理解它的意义，按热阻形式改写式（1-6a），得

R_k为平壁单位面积传热热阻（单位为m²·K/W），即

可见传热过程的热阻等于热流体、冷流体的传热热阻及导热热阻之和，相当于串联电阻的计算方法，掌握这一点对于分析和计算传热过程十分方便。由传热热阻的组成不难认识，传热阻力的大小与流体的性质、流动情况、壁的材料以及形状等许多因素有关，所以它的数值变化范围很大。例如，一砖厚度（240mm）的房屋外墙的k值约为2W/（m²·K）。

在蒸汽热水器中，k值可达5000W/（m²·K）。对于换热器，k值越大，传热越好。但对建筑物围护结构和热力管道的保护层，它们的作用是减少热损失，k值越小，保温性能越好，这就要求保温材料导热系数越小越好，从例题的计算可以得出一些重要的结论。

综上所述，学习传热学的目的概括起来就是：认识传热规律；计算各种情况下传热量或传热过程中的温度及其分布；学习增强或减弱热量传递的方法以及对热传导现象进行实验研究的方法。