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傳熱學(第二版) 版權信息
- ISBN：9787030739131
- 條形碼：9787030739131 ; 978-7-03-073913-1
- 裝幀：一般膠版紙
- 冊數：暫無
- 重量：暫無
- 所屬分類：>
傳熱學(第二版) 內容簡介
本書是在廣泛調查研究的基礎上、為了滿足高等學校工科大類系列課程改革而編寫的教材。全書始終貫穿著"加強基礎、拓寬口徑、重視能力、趨向前沿"的指導思想，特別注重培養學生分析和解決實際傳熱問題的能力。全書共八章，包括導熱、對流傳熱、輻射傳熱、傳熱過程和換熱器等，每章都配有一定量的思考題和習題。本書按48-56學時編寫，各部分內容相對獨立，可按需要選擇。本書可作為能源動力類、機械類、化工類、土建類、航空航天類等各專業的教材或教學參考書，也可供有關工程技術人員參考。
傳熱學(第二版) 目錄
目錄
第二版前言
**版前言
第1章緒論1
1.1概述1
1.2傳熱的三種基本方式3
1.3傳熱過程與熱路分析法9
1.4本章小結12
思考題12
習題13
第2章導熱基本定律與穩態導熱15
2.1導熱基本定律15
2.2導熱微分方程與定解條件19
2.3一維穩態導熱23
2.4有內熱源的一維穩態導熱32
2.5通過肋片的導熱39
2.6本章小結46
思考題47
習題48
第3章非穩態導熱51
3.1基本概念51
3.2集總參數分析法53
3.3一維非穩態導熱59
3.4多維非穩態導熱的乘積解74
3.5本章小結82
思考題83
習題83
第4章導熱問題的數值解法87
4.1概述87
4.2節點離散方程的建立90
4.3代數方程組的求解96
4.4非穩態導熱問題的數值解法104
4.5本章小結109
思考題110
習題110
第5章單相介質對流傳熱112
5.1對流傳熱概述112
5.2對流傳熱的控制方程及定解條件115
5.3邊界層理論118
5.4對流傳熱實驗研究方法123
5.5管內強制對流傳熱計算132
5.6外部強制對流傳熱計算140
5.7自然對流傳熱146
5.8本章小結148
思考題149
習題150
第6章相變對流傳熱152
6.1概述152
6.2凝結傳熱153
6.3沸騰傳熱163
6.4本章小結173
思考題174
習題175
第7章熱輻射及輻射傳熱176
7.1概述176
7.2黑體輻射基本定律179
7.3固體和液體的輻射和吸收特性186
7.4氣體的輻射和吸收特性195
7.5輻射傳熱的計算199
7.6本章小結223
思考題223
習題225
第8章傳熱過程及換熱器228
8.1傳熱過程及其控制228
8.2換熱器中的傳熱過程236
8.3本章小結249
思考題250
習題250
參考文獻252
附錄253
附錄1常用單位換算關系253
附錄2金屬材料的密度、比熱容和導熱系數254
附錄3常用非金屬材料的密度和導熱系數257
附錄4常用保溫及耐火材料的*高允許溫度及其導熱系數與
溫度的關系259
附錄5標準大氣壓下干空氣的熱物理性質260
附錄6標準大氣壓下煙氣的熱物理性質261
附錄7標準大氣壓下過熱水蒸氣的熱物理性質261
附錄8飽和水的熱物理性質262
附錄9干飽和水蒸氣的熱物理性質264
附錄10幾種飽和液體的熱物理性質266
第二版前言
**版前言
第1章緒論1
1.1概述1
1.2傳熱的三種基本方式3
1.3傳熱過程與熱路分析法9
1.4本章小結12
思考題12
習題13
第2章導熱基本定律與穩態導熱15
2.1導熱基本定律15
2.2導熱微分方程與定解條件19
2.3一維穩態導熱23
2.4有內熱源的一維穩態導熱32
2.5通過肋片的導熱39
2.6本章小結46
思考題47
習題48
第3章非穩態導熱51
3.1基本概念51
3.2集總參數分析法53
3.3一維非穩態導熱59
3.4多維非穩態導熱的乘積解74
3.5本章小結82
思考題83
習題83
第4章導熱問題的數值解法87
4.1概述87
4.2節點離散方程的建立90
4.3代數方程組的求解96
4.4非穩態導熱問題的數值解法104
4.5本章小結109
思考題110
習題110
第5章單相介質對流傳熱112
5.1對流傳熱概述112
5.2對流傳熱的控制方程及定解條件115
5.3邊界層理論118
5.4對流傳熱實驗研究方法123
5.5管內強制對流傳熱計算132
5.6外部強制對流傳熱計算140
5.7自然對流傳熱146
5.8本章小結148
思考題149
習題150
第6章相變對流傳熱152
6.1概述152
6.2凝結傳熱153
6.3沸騰傳熱163
6.4本章小結173
思考題174
習題175
第7章熱輻射及輻射傳熱176
7.1概述176
7.2黑體輻射基本定律179
7.3固體和液體的輻射和吸收特性186
7.4氣體的輻射和吸收特性195
7.5輻射傳熱的計算199
7.6本章小結223
思考題223
習題225
第8章傳熱過程及換熱器228
8.1傳熱過程及其控制228
8.2換熱器中的傳熱過程236
8.3本章小結249
思考題250
習題250
參考文獻252
附錄253
附錄1常用單位換算關系253
附錄2金屬材料的密度、比熱容和導熱系數254
附錄3常用非金屬材料的密度和導熱系數257
附錄4常用保溫及耐火材料的*高允許溫度及其導熱系數與
溫度的關系259
附錄5標準大氣壓下干空氣的熱物理性質260
附錄6標準大氣壓下煙氣的熱物理性質261
附錄7標準大氣壓下過熱水蒸氣的熱物理性質261
附錄8飽和水的熱物理性質262
附錄9干飽和水蒸氣的熱物理性質264
附錄10幾種飽和液體的熱物理性質266
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傳熱學(第二版) 節選
第1章 緒論 1.1 概述 1.1.1 基本概念 在自然界和工業生產過程中，由于自然或人為的原因，普遍存在著溫度差。熱力學第二定律告訴我們，熱量總是自發地從高溫傳向低溫，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溫度差引起的熱量傳遞規律的科學。 熱量傳遞過程的驅動力是溫度差，簡稱溫差，用Δt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系在一起。 傳熱量的大小通常用熱流量來表示，記為Φ，單位為W，它表示單位時間內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，氣缸壁內溫度分布及溫升（溫降）速度的控制、內燃機內氣缸活塞中的溫度分布等。 1.1.2 傳熱過程的普遍性 在自然界和工業生產中，傳熱現象隨處可見。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或系統的關鍵技術，以下略舉幾例說明。 。1） 在現代化的大型火力發電站，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濟性和安全性產生至關重要的影響。例如，在凝汽器內蒸汽凝結向冷卻水的傳熱過程、高壓和低壓加熱器內蒸汽凝結加熱循環水的過程等直接影響循環效率的高低；在鍋爐爐膛內高溫火焰向水冷壁管內水的傳熱過程和過熱器內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，產生安全事故。另外，大型發電機的轉子和定子繞組的冷卻技術也涉及大量的對流傳熱問題。 。2） 隨著航空航天事業的飛速發展，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倍當地聲速的高速度再入大氣層，由于摩擦，會在航天器表面發生劇烈的氣動加熱現象，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工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構的復雜性。生物體內有很多血管，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（如肌肉）等問題。另外，幾乎所有的動物都具備通過神經系統來感知和調節自身溫度的能力，這是一套極其復雜的溫度傳感和控制系統，從而使得生物系統的傳熱規律成為自然界*復雜的傳熱現象之一。 。5） 在可再生能源的開發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；在生物質能的利用過程中，涉及生物質的加熱、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的測量，如導熱系數、表面發射率等，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。涣硪活愂潜砻鎮鳠嵯禂祷驕囟确植嫉臏y定，在現階段，對流傳熱表面傳熱系數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據，然后，根據量綱分析原理，以實驗數據為基礎整理得到可用于工程計算的傳熱關聯式。 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，結合自然界中的普遍規律并應用數學方法，建立起相應的數學模型，*后在給定的條件下對數學模型進行求解，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值模擬結果正確性的標準之一。 理論分析解法曾經對解決很多工程實際問題發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，經過一定的簡化，形成了各種近似解法，如積分近似法、參數攝動法等。 3. 數值模擬 對于大多數實際傳熱問題而言，所建立的物理數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展，用數值模擬的方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——數值傳熱學，對傳熱與流動過程進行數值模擬的商業軟件也如雨后春筍般地發展起來，如FLUENT、COMSOL Multiphysics和CFX等。 數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域內離散為代數方程組，通過求解代數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 圖1-1 通過平壁的導熱 當物體內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）的熱運動產生的熱量傳遞過程稱為熱傳導，簡稱導熱。發生熱傳導過程時，物體各部分不存在宏觀的相對位移運動。導熱過程可以發生在固體內部或固體與固體之間，也可以發生在靜止的液體或氣體內部？紤]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δ，兩側表面分別維持均勻恒定溫度tw1和tw2，實驗和實踐結果都表明，單位時間內從表面1傳遞到表面2的熱流量Φ與導熱面積A和導熱溫差（tw1-tw2） 成正比，與壁的厚度δ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，稱為熱導率或導熱系數，其單位為W/（m K）；Δt為導熱溫差，其單位為℃或K。 導熱系數是表征材料導熱性能優劣的參數，其與物質的種類有關，是一個物性參數。不同的材料導熱系數不同，即使同一種材料，導熱系數還與溫度等因素有關。一般而言，金屬材料的導熱系數*高，液體次之，氣體*小。 1.2.2 熱對流 熱對流是指在溫差的作用下由流體的宏觀運動所引起的熱量傳遞過程。熱對流只能發生在流體中，而且由于流體中的分子同時進行著不規則的熱運動，因此，熱對流必然伴隨著熱傳導現象。工程上經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合作用的結果，通常稱之為對流傳熱。 根據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。自然對流是指由流體密度差形成的浮力而驅動的流體運動，強制對流是指由于外部壓差（通常由泵或風機提供）而驅動的流體運動。另外，在工程上，還會經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，分別簡稱為沸騰傳熱和凝結傳熱，統稱為伴隨有相變的對流傳熱。 圖1-2 流體與固體表面間的對流傳熱 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Φ可根據牛頓冷卻公式計算： 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h稱為表面傳熱系數或對流換熱系數，其單位為W/（m2 K）；Δt為對流傳熱溫差，其單位為℃或K。 與導熱系數不同，表面傳熱系數的大小不僅與流體的種類有關，還與流體流速以及換熱表面的形狀、大小及布置等因素有關。表面傳熱系數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的大致范圍。 表1-1 表面傳熱系數的大致范圍 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出輻射能，如果是因為熱的原因而發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境發出熱輻射，同時又不斷地吸收其他物體發出的熱輻射。物體發出輻射和吸收輻射的綜合結果就產生了物體之間的熱量傳遞過程，這種傳熱過程就稱為輻射傳熱或輻射換熱。當物體與周圍環境處于熱平衡時，輻射傳熱量為零，但物體發出輻射和吸收輻射的過程仍在進行，只不過發出輻射和吸收輻射量相等，處于一種動態平衡中。 熱傳導與熱對流兩種熱量傳遞方式都和物體緊密聯系在一起，只有在有物質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換，即發射時從熱能轉變為輻射能，吸收時又從輻射能轉變為熱能，這是熱輻射區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；σ為斯特藩.玻耳茲曼常數，即黑體輻射常數，其值為σ=5.67×10-8W/（m2 K4）。 對于同溫度下的實際物體，單位時間、單位表面積上所發射的輻射熱量E可由斯特藩.玻耳茲曼定律的修正形式計算： （1-9） 式中，ε為物體的發射率，其值總小于1，它與物體的種類和表面狀態有關。 式（1-8）和式（1-9）又稱為四次方定律，也可表述為 （1-11） 式中，C0為輻射系數，其值為C0=5.67W/（m2 K4）。 圖1-3 平行大平板間的輻射傳熱 物體不斷向周圍環境發出熱輻射的同時，又不斷地吸收其他物體發出的熱輻射，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，則其輻射傳熱
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