传热学

第1章 绪论 1.1 概述 1.1.1 基本概念 在自然界和工业生产过程中，由于自然的或人为的原因，普遍地存在着温度差。热力学第二定律告诉我们，热量总是白发地从高温传向低温，因此，只要有温度差的存在，就会有热量的传递过程。 热量在温度差的作用下从一个物体传递至另一个物体、或者在同一物体内部的各个不同部分进行传递的过程称为传热，传热学就是一门研究由于温度差引起的热量传递规律的科学。 热量传递过程的驱动力是温度差，简称温差，用表示，其单位为℃或K。一般而言，温差越大，传递的热量越多，因此，热量传递过程与温度分布紧密联系在一起。 传热量的大小通常用热流量来表示，记为，单位为W，它表示单位时间内通过某一给定面积上的热量。 单位面积上通过的热流量称为热流密度，记为q，其单位为W/m2。 传热问题大致可以分为两类：一类着眼于传热过程热流量的大小及其控制，或者增强传热，或者削弱传热。例如，在各类热交换器中，为了提高换热效率、减小换热器体积，使其结构更加紧凑，就必须增强传热，即提高传热过程热流密度；相反，为了使热力管道减小散热损失，就必须采取隔热保温措施，以削弱传热，即减小传热过程热流密度。另一类则着眼于温度分布及其控制。例如，在蒸汽轮机的启动和停车过程中，气缸壁内温度分布及温升（温降）速度的控制、内燃机内气缸活塞中的温度分布等。 1.1.2 传热过程的普遍性 在自然界和工业生产中，传热现象随处可见。特别是在能源动力、航空航天、材料冶金、机械制造、电气电信、交通运输、化工制药、生物工程等领域更是蕴藏着大量的传热问题，并且形成了如相变与多相流传热、微尺度传热、生物传热、超常传热等传热学的多个学科分支。在某些情况下，传热技术及其相关传热设备甚至成为某些行业或系统的关键技术，以下略举几例说明。 （1）在现代化的大型火力发电站，锅炉和汽轮机组都是在高温高压下工作，其传热性能的好坏和壁面温度的控制将对机组运行的经济性和安全性产生至关重要的影响。例如，在凝汽器内蒸汽凝结向冷却水的传热过程、高压和低压加热器内蒸汽凝结加热循环水的过程等直接影响循环效率的高低；在锅炉炉膛内高温火焰向水冷壁管内水的传热过程和过热器内高温烟气向过热蒸汽的传热过程中，如果壁面温度过高，很容易造成水冷壁和过热器爆管，产生安全事故。另外，大型发电机的转子和定子绕组的冷却技术也涉及大量的对流传热问题。 （2）随着航空航天事业的飞速发展，传热问题显得越来越突出。通常航天飞行器在重返地球时，会以10～36倍当地声速的高速再人大气层，由于摩擦，会在航天器表面发生剧烈的气动加热现象，致使表面气流局部温度高达3000～11000K，因此，为了保证航天器的飞行安全，必须有效地解决冷却与隔热问题。 （3）随着以计算机芯片为代表的微电子器件的飞速发展，电子器件的高效散热技术也需要不断地改进、提高。在芯片体积迅速微型化、线宽快速下降时，芯片表面的热流密度会迅速增大，目前已超过106W/m2，因而电子器件的有效散热方式已成为影响电子器件寿命及下作可靠性的关键技术之一。 （4）随着人体器官及皮肤癌变的热诊断与高温治疗技术的不断进步，激光和超低温外科手术及其他临床康复技术均得到了不同程度的发展，其中涉及大量的传热过程，因此，形成了生物传热学分支。在生物传热研究中，主要的困难在于生物组织结构的复杂性。生物体内有很多血管，要确定因血液灌流导致的热量传递是非常困难的，它涉及非牛顿流体（如血液）和多孔介质（如肌肉）等问题。另一方面，几乎所有的动物都具备通过神经系统来感知和调节自身温度的能力，这是一套极其复杂的温度传感和控制系统，从而使得生物系统的传热规律成为自然界*复杂的传热现象之一。 （5）在可再生能源的开发和利用中也处处涉及传热问题。例如，在太阳能的热利用过程中，涉及太阳辐射能的吸收、热能的储存和传递等；在生物质能的利用过程中，涉及生物质的加热、裂解、冷却等问题，其中存在着大量的传热过程。 1.1.3 研究方法 传热问题的研究方法大致可以分为三类，即实验研究、理论分析和数值模拟。 1．实验研究 实验研究是传热学*基本的研究方法。传热实验研究主要分为两大类：一类是与传热过程有关的物性参数的测量，如导热系数、表面发射率等，采用理论分析方法来确定它们是非常困难的，有时甚至是不可能的，只能采用实验测定来获取；另一类是表面传热系数或温度分布的测定，在现阶段，对流传热表面传热系数的工程计算公式通常都是通过实验测定得到的。 在传热学的发展进程中，为了能有效地进行对流传热的实验研究，形成了相似原理和量纲分析的基本内容和方法，即在相似原理的指导下，建立起与实际传热问题相似的实验台，忽略次要影响因素，控制主要影响因素，进行大量的实验，得到足够多的实验数据，然后，根据量纲分析原理，以实验数据为基础整理得到可用于工程计算的传热关联式。 2．理论分析 理论分析方法的基本原理是对实际的传热问题提出一些合理假设，并由此建立该传热问题的物理模型，结合自然界中的普遍规律并应用数学方法，建立起相应的数学模型，*后在给定的条件下对数学模型进行求解，得到该传热问题的温度分布和热流量的计算公式。理论分析解可作为检验各种数值模拟结果正确性的标准之一。 理论分析解法曾经对解决很多工程实际问题发挥过极其重要的作用，目前仍不失为解决传热问题的一个有效手段。但是，对于某些复杂的传热问题，理论分析解往往过于繁杂、有时甚至无法获得，为此，经过一定的简化，形成了各种近似解法，如积分近似法、参数摄动法等。 3．数值模拟 对于大多数实际传热问题而言，所建立的物理数学模型都包含着复杂的偏微分方程，难以得到分析解。近几十年来，随着计算机技术的飞速发展，用数值计算的万法对传热问题进行分析求解取得了重大进展，并形成了一个传热学的新的分支学科——数值传热学，对传热与流动过程进行数值模拟的商业软件也如雨后春笋般地发展起来，如PHOENICS、FLUENT、STAR-CD和CFX等。 数值模拟的基本思想是将描述传热问题的微分方程在求解区域内离散为代数方程组，通过求解代数方程组来获得传热问题的解，这种方法在解决实际传热问题中显示出了巨大的活力。 1.2 传热的三种基本方式 按照传热机理的不同，热量的传递有三种基本形式，即热传导（导热）、热对流和热辐射。 1.2.1 热传导 当物体内部存在温度差或温度不同的两物体相互接触时，由于微观粒子（分子、原子或自由电子等）的热运动产生的热量传递过程称为热传导，简称导热。发生热传导过程时，物体各部分不存在宏观的相对位移运动。导热过程可以发生在固体内部或固体与固体之间，也可发生在静止的液体或气体内部。 考虑如图1-1所示的通过大平壁的导热过程，平壁的表面积为A，壁厚为，两侧表面分别维持均匀恒定温度tw1和tw2，实验和实践结果都表明，单位时间内从表面1传递到表面2的热流量，与导热面积A和导热温差（tw1- tw2）成正比，与壁的厚度成反比，即 （1-1） 或 （1-2） 通过平壁的热流密度可表示为 （1-3） 式中，λ为比例系数，称为热导率或导热系数，其单位为W/（m K）；△t称为导热温差，其单位为℃或K。 导热系数是表征材料导热性能优劣的参数，其与物质的种类有关，是一个物性参数。不同的材料导热系数不同，即使同一种材料，导热系数还与温度等因素有关。一般而言，金属材料的导热系数*高，液体次之，气体*小。 图1-1 通过平壁的导热 1.2.2 热对流 热对流是指在温差的作用下由于流体的宏观运动所引起的热量传递过程。热对流只能发生在流体中，而且由于流体中的分子同时进行着不规则的热运动，因此，热对流必然伴随着热传导现象．工程上经常遇到流体流过某一固体表面时流体与固体表面间的热量传递过程，就是热对流和热传导联合作用的结果，通常称之为对流传热。 根据引起流体宏观运动的作用力的不同，对流传热可分为自然对流和强制对流两大类。自然对流是指由于流体密度差形成的浮力而驱动的流体运动，强制对流是指由于外部压差（通常由泵或风机提供）而驱动的流体运动。另外，在工程上，还会经常遇到液体在过热固体表面上的沸腾和蒸汽在过冷固体表面上的凝结，分别简称为沸腾传热和凝结传热，统称为伴随有相变的对流传热。 如图1-2所示，当温度为tf的流体流过温度为tw（tw≠tf）、表面积为A的固体表面时，流体与固体表面间的对流传热热流量由可根据牛顿冷却公式计算： 流体被加热时 （1-4） 流体被冷却时 （1-5） 对流传热过程热流密度q可表示为 流体被加热时 （1-6） 流体被冷却时 （1-7） 上述各式中，比例系数h称为表面传热系数或对流换热系数，其单位为W/（m2 K）；△t称为对流传热温差，其单位为℃或K。 与导热系数不同，表面传热系数的大小不仅与流体的种类有关，还与流体流速、换热表面形状、大小及布置等因素有关。表面传热系数的大小直接反映了对流传热能力的强弱，表1-1给出了不同条件下表面对流传热系数的大致范围。 表1-1 表面传热系数的大致范围 图1-2 流体与固体表面间的对流传热 1.2.3 热辐射 物体通过电磁波传递能量的过程称为辐射。物体会因为各种原因发出辐射能，如果是因为热的原因而发出的辐射能称为热辐射。 任何物体，只要温度高于0K，就会不停地向周围环境发出热辐射，同时又不断地吸收其他物体发出的熟辐射。物体发出辐射和吸收辐射的综合结果就产生了物体之间的热量传递过程，这种传热过程就称之为辐射传热或辐射换热。当物体与周围环境处于热平衡时，辐射传热量为零，但物体发出辐射和吸收辐射的过程仍在进行，只不过发出辐射和吸收辐射量相等，处于一种动态平衡中。 热传导与热对流两种热量传递方式都和物体紧密联系在一起，只有在有物质存在的条件下才能进行，而热辐射则不同，它可以在真空中传递，而且在真空中传递*为有效，这是热辐射区别于热传导和热对流的基本特点。同时，在热辐射传递能量的过程中，伴随着能量形式的转换，即发射时从热能转变为辐射能，吸收时又从辐射能转变为热能，这是热辐射区别于热传导和热对流的另一个特点。 在辐射传热计算中，为了简化起见，引入了一种理想物体——黑体。所谓黑体是指能吸收所有投入到其表面上的辐射能的物体。在相同温度下，黑体的吸收能力和辐射能力在所有物体中*大。 黑体在单位时间、单位表面积上所发射的辐射热量Eb可由斯特藩玻耳兹曼定律计算： （1-8） 式中，T为黑体的热力学温度，T= t+273.15，单位为K；为斯特藩玻耳兹曼常数，即黑体辐射常数，其值为0=5.67×10-8W/（m2 K4）。 对于同温度下的实际物体，单位时问、单位表面积上所发射的辐射热量E可由斯特藩玻耳兹曼定律的修正形式计算 （1-9） 式中，称为物体的发射率，其值总小于1，它与物体的种类和表面状态有关。 式（1-8）和式（1-9）又称为四次方定律，也可表述为 （1-10） （1-11） 式中，C0称为辐射系数，其值为C0=5.67W/（m2 K4）。 物体不断向周围环境发出热辐射的同时，又不断地吸收其他物体发出的热辐射，因此，两物体表面间的辐射传热量除与物体温度和表面特性有关外，还与两物体的相对位置有关。如图1-3所示，假定有两块平行放置的大平板，其两相向表面均为黑体表面，温度分别为T1和T2，表面积都为A，则