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傳熱學 版權信息
- ISBN：9787030343178
- 條形碼：9787030343178 ; 978-7-03-034317-8
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數(shù)：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
傳熱學 內(nèi)容簡介
本書共七章，包括導熱基本定律與穩(wěn)態(tài)導熱、非穩(wěn)態(tài)導熱、單相介質(zhì)對流傳熱、相變對流傳熱、熱輻射及輻射換熱、傳熱過程及換熱器。全書注重基礎，強調(diào)對傳熱學基本概念及傳熱學基本計算方法的理解；注重結(jié)合工程中的實際傳熱問題，培養(yǎng)綜合分析問題和解決問題的能力。
傳熱學 目錄
目錄
前言
第1章 緒論 1
1.1 概述 1
1.2 傳熱的五種基本方式 3
1.3 傳熱過程與熱路分析法 9
本章小結(jié) 12
思考題 12
習題 13
第2章 導熱基本定律與穩(wěn)態(tài)導熱 15
2.1 導熱基本定律 15
2.2 導熱微分方程與定解條件 19
2.3 一維穩(wěn)態(tài)導熱 23
2.4 通過肋片的導熱 32
本章小結(jié) 39
思考題 40
習題 41
第3章 非穩(wěn)態(tài)導熱 44
3.1 基本概念 44
3.2 集總參數(shù)分析法 46
3.3 一維非穩(wěn)態(tài)導熱 52
本章小結(jié) 59
思考題 60
習題 61
第4章 單相介質(zhì)對流傳熱 63
4.1 對流傳熱概述 63
4.2 對流傳熱的控制方程及定解條件 66
4.3 邊界層理論 69
4.4 對流傳熱實驗研究方法 74
4.5 管內(nèi)強制對流傳熱計算 83
4.6 外部強制對流傳熱計算 91
4.7 自然對流傳熱 97
本章小結(jié) 99
思考題 100
習題 101
第5章 相變對流傳熱 103
5.1 概述 103
5.2 凝結(jié)傳熱 104
5.3 沸騰傳熱 114
本章小結(jié) 124
思考題 125
習題 126
第6章 熱輻射及輻射傳熱 127
6.1 概述 127
6.2 黑體輻射基本定律 130
6.3 固體和液體的輻射和吸收特性 137
6.4 氣體的輻射和吸收特性 146
6.5 輻射傳熱的計算 150
本章小結(jié) 174
思考題 174
習題 176
第7章 傳熱過程及換熱器 179
7.1 傳熱過程及其控制 179
7.2 換熱器中的傳熱過程 187
本章小結(jié) 200
思考題 201
習題 201
附錄 203
附錄1 常用單位換算關系 203
附錄2 金屬材料的密度、比熱容和導熱系數(shù) 204
附錄3 常用非金屬材料的密度和導熱系數(shù) 207
附錄4 常用保溫及耐火材料的*高允許溫度及其導熱系數(shù)與溫度的關系 209
附錄5 標準大氣壓下干空氣的熱物理性質(zhì) 210
附錄6 標準大氣壓下煙氣的熱物理性質(zhì) 211
附錄7 標準大氣壓下過熱水蒸氣的熱物理性質(zhì) 211
附錄8 飽和水的熱物理性質(zhì) 212
附錄9 干飽和水蒸氣的熱物理性質(zhì) 214
附錄10 幾種飽和液體的熱物理性質(zhì) 216
參考文獻 219
前言
第1章 緒論 1
1.1 概述 1
1.2 傳熱的五種基本方式 3
1.3 傳熱過程與熱路分析法 9
本章小結(jié) 12
思考題 12
習題 13
第2章 導熱基本定律與穩(wěn)態(tài)導熱 15
2.1 導熱基本定律 15
2.2 導熱微分方程與定解條件 19
2.3 一維穩(wěn)態(tài)導熱 23
2.4 通過肋片的導熱 32
本章小結(jié) 39
思考題 40
習題 41
第3章 非穩(wěn)態(tài)導熱 44
3.1 基本概念 44
3.2 集總參數(shù)分析法 46
3.3 一維非穩(wěn)態(tài)導熱 52
本章小結(jié) 59
思考題 60
習題 61
第4章 單相介質(zhì)對流傳熱 63
4.1 對流傳熱概述 63
4.2 對流傳熱的控制方程及定解條件 66
4.3 邊界層理論 69
4.4 對流傳熱實驗研究方法 74
4.5 管內(nèi)強制對流傳熱計算 83
4.6 外部強制對流傳熱計算 91
4.7 自然對流傳熱 97
本章小結(jié) 99
思考題 100
習題 101
第5章 相變對流傳熱 103
5.1 概述 103
5.2 凝結(jié)傳熱 104
5.3 沸騰傳熱 114
本章小結(jié) 124
思考題 125
習題 126
第6章 熱輻射及輻射傳熱 127
6.1 概述 127
6.2 黑體輻射基本定律 130
6.3 固體和液體的輻射和吸收特性 137
6.4 氣體的輻射和吸收特性 146
6.5 輻射傳熱的計算 150
本章小結(jié) 174
思考題 174
習題 176
第7章 傳熱過程及換熱器 179
7.1 傳熱過程及其控制 179
7.2 換熱器中的傳熱過程 187
本章小結(jié) 200
思考題 201
習題 201
附錄 203
附錄1 常用單位換算關系 203
附錄2 金屬材料的密度、比熱容和導熱系數(shù) 204
附錄3 常用非金屬材料的密度和導熱系數(shù) 207
附錄4 常用保溫及耐火材料的*高允許溫度及其導熱系數(shù)與溫度的關系 209
附錄5 標準大氣壓下干空氣的熱物理性質(zhì) 210
附錄6 標準大氣壓下煙氣的熱物理性質(zhì) 211
附錄7 標準大氣壓下過熱水蒸氣的熱物理性質(zhì) 211
附錄8 飽和水的熱物理性質(zhì) 212
附錄9 干飽和水蒸氣的熱物理性質(zhì) 214
附錄10 幾種飽和液體的熱物理性質(zhì) 216
參考文獻 219
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傳熱學 節(jié)選
第1章 緒論 1.1 概述 1.1.1 基本概念 在自然界和工業(yè)生產(chǎn)過程中，由于自然的或人為的原因，普遍地存在著溫度差。熱力學第二定律告訴我們，熱量總是白發(fā)地從高溫傳向低溫，因此，只要有溫度差的存在，就會有熱量的傳遞過程。 熱量在溫度差的作用下從一個物體傳遞至另一個物體、或者在同一物體內(nèi)部的各個不同部分進行傳遞的過程稱為傳熱，傳熱學就是一門研究由于溫度差引起的熱量傳遞規(guī)律的科學。 熱量傳遞過程的驅(qū)動力是溫度差，簡稱溫差，用表示，其單位為℃或K。一般而言，溫差越大，傳遞的熱量越多，因此，熱量傳遞過程與溫度分布緊密聯(lián)系在一起。 傳熱量的大小通常用熱流量來表示，記為，單位為W，它表示單位時間內(nèi)通過某一給定面積上的熱量。 單位面積上通過的熱流量稱為熱流密度，記為q，其單位為W/m2。 傳熱問題大致可以分為兩類：一類著眼于傳熱過程熱流量的大小及其控制，或者增強傳熱，或者削弱傳熱。例如，在各類熱交換器中，為了提高換熱效率、減小換熱器體積，使其結(jié)構更加緊湊，就必須增強傳熱，即提高傳熱過程熱流密度；相反，為了使熱力管道減小散熱損失，就必須采取隔熱保溫措施，以削弱傳熱，即減小傳熱過程熱流密度。另一類則著眼于溫度分布及其控制。例如，在蒸汽輪機的啟動和停車過程中，氣缸壁內(nèi)溫度分布及溫升（溫降）速度的控制、內(nèi)燃機內(nèi)氣缸活塞中的溫度分布等。 1.1.2 傳熱過程的普遍性 在自然界和工業(yè)生產(chǎn)中，傳熱現(xiàn)象隨處可見。特別是在能源動力、航空航天、材料冶金、機械制造、電氣電信、交通運輸、化工制藥、生物工程等領域更是蘊藏著大量的傳熱問題，并且形成了如相變與多相流傳熱、微尺度傳熱、生物傳熱、超常傳熱等傳熱學的多個學科分支。在某些情況下，傳熱技術及其相關傳熱設備甚至成為某些行業(yè)或系統(tǒng)的關鍵技術，以下略舉幾例說明。 （1）在現(xiàn)代化的大型火力發(fā)電站，鍋爐和汽輪機組都是在高溫高壓下工作，其傳熱性能的好壞和壁面溫度的控制將對機組運行的經(jīng)濟性和安全性產(chǎn)生至關重要的影響。例如，在凝汽器內(nèi)蒸汽凝結(jié)向冷卻水的傳熱過程、高壓和低壓加熱器內(nèi)蒸汽凝結(jié)加熱循環(huán)水的過程等直接影響循環(huán)效率的高低；在鍋爐爐膛內(nèi)高溫火焰向水冷壁管內(nèi)水的傳熱過程和過熱器內(nèi)高溫煙氣向過熱蒸汽的傳熱過程中，如果壁面溫度過高，很容易造成水冷壁和過熱器爆管，產(chǎn)生安全事故。另外，大型發(fā)電機的轉(zhuǎn)子和定子繞組的冷卻技術也涉及大量的對流傳熱問題。 （2）隨著航空航天事業(yè)的飛速發(fā)展，傳熱問題顯得越來越突出。通常航天飛行器在重返地球時，會以10～36倍當?shù)芈曀俚母咚僭偃舜髿鈱樱捎谀Σ粒瑫诤教炱鞅砻姘l(fā)生劇烈的氣動加熱現(xiàn)象，致使表面氣流局部溫度高達3000～11000K，因此，為了保證航天器的飛行安全，必須有效地解決冷卻與隔熱問題。 （3）隨著以計算機芯片為代表的微電子器件的飛速發(fā)展，電子器件的高效散熱技術也需要不斷地改進、提高。在芯片體積迅速微型化、線寬快速下降時，芯片表面的熱流密度會迅速增大，目前已超過106W/m2，因而電子器件的有效散熱方式已成為影響電子器件壽命及下作可靠性的關鍵技術之一。 （4）隨著人體器官及皮膚癌變的熱診斷與高溫治療技術的不斷進步，激光和超低溫外科手術及其他臨床康復技術均得到了不同程度的發(fā)展，其中涉及大量的傳熱過程，因此，形成了生物傳熱學分支。在生物傳熱研究中，主要的困難在于生物組織結(jié)構的復雜性。生物體內(nèi)有很多血管，要確定因血液灌流導致的熱量傳遞是非常困難的，它涉及非牛頓流體（如血液）和多孔介質(zhì)（如肌肉）等問題。另一方面，幾乎所有的動物都具備通過神經(jīng)系統(tǒng)來感知和調(diào)節(jié)自身溫度的能力，這是一套極其復雜的溫度傳感和控制系統(tǒng)，從而使得生物系統(tǒng)的傳熱規(guī)律成為自然界*復雜的傳熱現(xiàn)象之一。 （5）在可再生能源的開發(fā)和利用中也處處涉及傳熱問題。例如，在太陽能的熱利用過程中，涉及太陽輻射能的吸收、熱能的儲存和傳遞等；在生物質(zhì)能的利用過程中，涉及生物質(zhì)的加熱、裂解、冷卻等問題，其中存在著大量的傳熱過程。 1.1.3 研究方法 傳熱問題的研究方法大致可以分為三類，即實驗研究、理論分析和數(shù)值模擬。 1．實驗研究 實驗研究是傳熱學*基本的研究方法。傳熱實驗研究主要分為兩大類：一類是與傳熱過程有關的物性參數(shù)的測量，如導熱系數(shù)、表面發(fā)射率等，采用理論分析方法來確定它們是非常困難的，有時甚至是不可能的，只能采用實驗測定來獲取；另一類是表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)或溫度分布的測定，在現(xiàn)階段，對流傳熱表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的工程計算公式通常都是通過實驗測定得到的。 在傳熱學的發(fā)展進程中，為了能有效地進行對流傳熱的實驗研究，形成了相似原理和量綱分析的基本內(nèi)容和方法，即在相似原理的指導下，建立起與實際傳熱問題相似的實驗臺，忽略次要影響因素，控制主要影響因素，進行大量的實驗，得到足夠多的實驗數(shù)據(jù)，然后，根據(jù)量綱分析原理，以實驗數(shù)據(jù)為基礎整理得到可用于工程計算的傳熱關聯(lián)式。 2．理論分析 理論分析方法的基本原理是對實際的傳熱問題提出一些合理假設，并由此建立該傳熱問題的物理模型，結(jié)合自然界中的普遍規(guī)律并應用數(shù)學方法，建立起相應的數(shù)學模型，*后在給定的條件下對數(shù)學模型進行求解，得到該傳熱問題的溫度分布和熱流量的計算公式。理論分析解可作為檢驗各種數(shù)值模擬結(jié)果正確性的標準之一。 理論分析解法曾經(jīng)對解決很多工程實際問題發(fā)揮過極其重要的作用，目前仍不失為解決傳熱問題的一個有效手段。但是，對于某些復雜的傳熱問題，理論分析解往往過于繁雜、有時甚至無法獲得，為此，經(jīng)過一定的簡化，形成了各種近似解法，如積分近似法、參數(shù)攝動法等。 3．數(shù)值模擬 對于大多數(shù)實際傳熱問題而言，所建立的物理數(shù)學模型都包含著復雜的偏微分方程，難以得到分析解。近幾十年來，隨著計算機技術的飛速發(fā)展，用數(shù)值計算的萬法對傳熱問題進行分析求解取得了重大進展，并形成了一個傳熱學的新的分支學科——數(shù)值傳熱學，對傳熱與流動過程進行數(shù)值模擬的商業(yè)軟件也如雨后春筍般地發(fā)展起來，如PHOENICS、FLUENT、STAR-CD和CFX等。 數(shù)值模擬的基本思想是將描述傳熱問題的微分方程在求解區(qū)域內(nèi)離散為代數(shù)方程組，通過求解代數(shù)方程組來獲得傳熱問題的解，這種方法在解決實際傳熱問題中顯示出了巨大的活力。 1.2 傳熱的三種基本方式 按照傳熱機理的不同，熱量的傳遞有三種基本形式，即熱傳導（導熱）、熱對流和熱輻射。 1.2.1 熱傳導 當物體內(nèi)部存在溫度差或溫度不同的兩物體相互接觸時，由于微觀粒子（分子、原子或自由電子等）的熱運動產(chǎn)生的熱量傳遞過程稱為熱傳導，簡稱導熱。發(fā)生熱傳導過程時，物體各部分不存在宏觀的相對位移運動。導熱過程可以發(fā)生在固體內(nèi)部或固體與固體之間，也可發(fā)生在靜止的液體或氣體內(nèi)部。 考慮如圖1-1所示的通過大平壁的導熱過程，平壁的表面積為A，壁厚為，兩側(cè)表面分別維持均勻恒定溫度tw1和tw2，實驗和實踐結(jié)果都表明，單位時間內(nèi)從表面1傳遞到表面2的熱流量，與導熱面積A和導熱溫差（tw1- tw2）成正比，與壁的厚度成反比，即 （1-1） 或 （1-2） 通過平壁的熱流密度可表示為 （1-3） 式中，λ為比例系數(shù)，稱為熱導率或?qū)嵯禂?shù)，其單位為W/（m K）；△t稱為導熱溫差，其單位為℃或K。 導熱系數(shù)是表征材料導熱性能優(yōu)劣的參數(shù)，其與物質(zhì)的種類有關，是一個物性參數(shù)。不同的材料導熱系數(shù)不同，即使同一種材料，導熱系數(shù)還與溫度等因素有關。一般而言，金屬材料的導熱系數(shù)*高，液體次之，氣體*小。 圖1-1 通過平壁的導熱 1.2.2 熱對流 熱對流是指在溫差的作用下由于流體的宏觀運動所引起的熱量傳遞過程。熱對流只能發(fā)生在流體中，而且由于流體中的分子同時進行著不規(guī)則的熱運動，因此，熱對流必然伴隨著熱傳導現(xiàn)象．工程上經(jīng)常遇到流體流過某一固體表面時流體與固體表面間的熱量傳遞過程，就是熱對流和熱傳導聯(lián)合作用的結(jié)果，通常稱之為對流傳熱。 根據(jù)引起流體宏觀運動的作用力的不同，對流傳熱可分為自然對流和強制對流兩大類。自然對流是指由于流體密度差形成的浮力而驅(qū)動的流體運動，強制對流是指由于外部壓差（通常由泵或風機提供）而驅(qū)動的流體運動。另外，在工程上，還會經(jīng)常遇到液體在過熱固體表面上的沸騰和蒸汽在過冷固體表面上的凝結(jié)，分別簡稱為沸騰傳熱和凝結(jié)傳熱，統(tǒng)稱為伴隨有相變的對流傳熱。 如圖1-2所示，當溫度為tf的流體流過溫度為tw（tw≠tf）、表面積為A的固體表面時，流體與固體表面間的對流傳熱熱流量由可根據(jù)牛頓冷卻公式計算： 流體被加熱時 （1-4） 流體被冷卻時 （1-5） 對流傳熱過程熱流密度q可表示為 流體被加熱時 （1-6） 流體被冷卻時 （1-7） 上述各式中，比例系數(shù)h稱為表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)或?qū)α鲹Q熱系數(shù)，其單位為W/（m2 K）；△t稱為對流傳熱溫差，其單位為℃或K。 與導熱系數(shù)不同，表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的大小不僅與流體的種類有關，還與流體流速、換熱表面形狀、大小及布置等因素有關。表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的大小直接反映了對流傳熱能力的強弱，表1-1給出了不同條件下表面對流傳熱系數(shù)的大致范圍。 表1-1 表面?zhèn)鳠嵯禂?shù)的大致范圍 圖1-2 流體與固體表面間的對流傳熱 1.2.3 熱輻射 物體通過電磁波傳遞能量的過程稱為輻射。物體會因為各種原因發(fā)出輻射能，如果是因為熱的原因而發(fā)出的輻射能稱為熱輻射。 任何物體，只要溫度高于0K，就會不停地向周圍環(huán)境發(fā)出熱輻射，同時又不斷地吸收其他物體發(fā)出的熟輻射。物體發(fā)出輻射和吸收輻射的綜合結(jié)果就產(chǎn)生了物體之間的熱量傳遞過程，這種傳熱過程就稱之為輻射傳熱或輻射換熱。當物體與周圍環(huán)境處于熱平衡時，輻射傳熱量為零，但物體發(fā)出輻射和吸收輻射的過程仍在進行，只不過發(fā)出輻射和吸收輻射量相等，處于一種動態(tài)平衡中。 熱傳導與熱對流兩種熱量傳遞方式都和物體緊密聯(lián)系在一起，只有在有物質(zhì)存在的條件下才能進行，而熱輻射則不同，它可以在真空中傳遞，而且在真空中傳遞*為有效，這是熱輻射區(qū)別于熱傳導和熱對流的基本特點。同時，在熱輻射傳遞能量的過程中，伴隨著能量形式的轉(zhuǎn)換，即發(fā)射時從熱能轉(zhuǎn)變?yōu)檩椛淠埽諘r又從輻射能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮埽@是熱輻射區(qū)別于熱傳導和熱對流的另一個特點。 在輻射傳熱計算中，為了簡化起見，引入了一種理想物體——黑體。所謂黑體是指能吸收所有投入到其表面上的輻射能的物體。在相同溫度下，黑體的吸收能力和輻射能力在所有物體中*大。 黑體在單位時間、單位表面積上所發(fā)射的輻射熱量Eb可由斯特藩玻耳茲曼定律計算： （1-8） 式中，T為黑體的熱力學溫度，T= t+273.15，單位為K；為斯特藩玻耳茲曼常數(shù)，即黑體輻射常數(shù)，其值為0=5.67×10-8W/（m2 K4）。 對于同溫度下的實際物體，單位時問、單位表面積上所發(fā)射的輻射熱量E可由斯特藩玻耳茲曼定律的修正形式計算 （1-9） 式中，稱為物體的發(fā)射率，其值總小于1，它與物體的種類和表面狀態(tài)有關。 式（1-8）和式（1-9）又稱為四次方定律，也可表述為 （1-10） （1-11） 式中，C0稱為輻射系數(shù)，其值為C0=5.67W/（m2 K4）。 物體不斷向周圍環(huán)境發(fā)出熱輻射的同時，又不斷地吸收其他物體發(fā)出的熱輻射，因此，兩物體表面間的輻射傳熱量除與物體溫度和表面特性有關外，還與兩物體的相對位置有關。如圖1-3所示，假定有兩塊平行放置的大平板，其兩相向表面均為黑體表面，溫度分別為T1和T2，表面積都為A，則
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