传 热 学 （（ Heat TransfeHeat Transfe

rr ））航空科学与工程学院 林贵平

Tel:010-82317538(o),13910848081

Email:gplin@buaa.edu.cn

参 考 书 教材 : 《传热学》 杨世铭、陶文铨编著，第三版 《传热学》 戴锅生，第二版 《数值传热学》 陶文铨编著 《对流换热》 V. S. 阿巴兹 《凝结和沸腾》施明恒等编著 《辐射换热》 余其铮编著 Heat Transfer (2nd Edition), by Anthony F. Mills

Heat Transfer , by J.P.Holman

Fundamentals of Heat Transfer, by F. P. Incropera, D.P. DeWitt

考 核 方 法

平时成绩 : 15% ( 包括：上机、实验、出勤及作业 )

期末考试 : 85%

第一章 绪 论本章主要内容：

传热学的研究对象 三种基本的传热方式及基本定律 传热过程和传热系数

学习要求： 　传热学是什么样的一门学科？ 　热量是如何传递的 ? 传热热阻及传热系数概念 　对于不同热量传递方式传热学要解决的主要问题

　　是什么？

第一章 绪 论§1-0 概 述 1. 传热学（ Heat Transfer ）

(1) 研究热量传递规律的科学，具体来讲主要有热量传递 的机理、规律、计算和测试方法

(2) 热量传递过程的推动力：温差 热力学第二定律：热量可以自发地由高温热源传给 低温热源 有温差就会有传热 温差是热量 传递的推动力

2. 传热学与工程热力学的关系(1) 热力学 + 传热学 = 热科学 (Thermal Science)

系统从一个平衡态到另一个平衡态的过程中传递热量的多少。

关心的是热量传递的过程，即热量传递的速率。

热力学：

传热学：

Φtm

)(

),,,(

fΦ

zyxt

水， M2

20oC

铁块 , M1

300oC

图 1-1 传热学与热力学的区别

(2) 传热学以热力学第一定律和第二定律为基础，即 始终从高温热源向低温热源传递，如果没有能量形式的转化，则 始终是守恒的

3 传热学应用实例 自然界与生产过程到处存在温差 传热很普遍

b 夏天人在同样温度（如： 25 度）的空气和水中的感觉不一样。为什么？

c 北方寒冷地区，建筑房屋都是双层玻璃，以利于保温。如何解释其道理？越厚越好？

(1) 日常生活中的例子：a 人体为恒温体。若房间里气体的温度在夏天和 冬天都保持 20 度，那么在冬天与夏天、人在房间里所穿的衣服能否一样？为什么？

(2) 特别是在下列技术领域大量存在传热问题

(3) 几个特殊领域中的具体应用

a 航空航天：高温叶片气膜冷却与发汗冷却；火箭推力室的再生冷却与发汗冷却；卫星与空间站热控制；空间飞行器重返大气层冷却；超高音速飞行器（ Ma=10 ）冷却；核热火箭、电火箭；微型火箭（电火箭、化学火箭）；太阳能高空无人飞机

动力、化工、制冷、建筑、机械制造、新能源、微电子、核能、航空航天、微机电系统（MEMS）、新材料、军事科学与技术、生命科学与生物技术…

b 微电子： 电子芯片冷却c 生物医学：肿瘤高温热疗；生物芯片；组织与器 官的冷冻保存d 军 事：飞机、坦克；激光武器；弹药贮存e 制 冷：跨临界二氧化碳汽车空调 /热泵；高温 水源热泵f 新 能 源：太阳能；燃料电池

4 传热过程的分类按温度与时间的依变关系，可分为稳态和非稳态两大类。

连续介质假设

§1-1 热量传递的三种基本方式

1 导热（热传导） (Conduction)

热量传递的三种基本方式：导热 ( 热传导 ) 、对流 ( 热对流 ) 和热辐射。

(1) 定义：指温度不同的物体各部分或温度不同的两物体间直接接触时，依靠分子、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

(2)物质的属性：可以在固体、液体、气体中发生(3)导热的特点： a 必须有温差； b 物体直接接触； c 依靠分子、原子及自由电子等微观粒子热运动而传递热量；d 在引力场下单纯的导热只发生在密实固体中。

(4)导热的基本定律： 1822 年，法国数学家 Fourier:

W d

d

x

tAΦ

2m

W

d

d

x

t

A

Φq

上式称为 Fourier 定律，称为导热基本定律，是一个一维稳态导热。其中：

：热流量，单位时间传递的热量 [W] ； q：热流密度，单位时间通过单位面积传递的热量；A：垂直于导热方向的截面积 [m2] ；：导热系数（热导率） [W/( m K)]。

图 1-2 一维稳态平板内导热

t

0 x

dx

dt

Q

(6) 一维稳态导热及其导热热阻 如图 1-3 所示，稳态 q = const ，于是积分 Fourier

定律有：

210

dd 2

1

wwt

t

ttqtxq w

w

复习： 1 传热学的研究内容 (1) 定义

2 传热学与工程热力学的关系 (2) 物质的属性：

3 传热学应用实例 (3) 导热的特点

4 传热过程的分类 (4) 导热的基本定律

5 5 导热 (5) 导热系数

(5) 导热系数 表征材料导热能力的大小，是一种物性参数，与材料种类和温度关。 气体液体非金属固体金属

导热系数的相对大小

气体液体非金属固体金属

;)(398 CmW 纯铜

;)(6.0 CmW 水

）（空气 CCmW 20 )(026.0

Q1wt 2wt

A

图 1-3 导热热阻的图示

1wt

2wt

t

0 x

dx

dt

Q

r

tttq ww

21

R

t

A

ttΦ ww

21

r

AR 导热热阻

单位导热热阻

热阻的概念

例 题 1-1

例题 1-1 一块厚度 δ=50 mm 的平板， 两侧表面分别维持在

.100,300 21 CtCt ow

ow 试求下列条件下的热流密度。

(1)材料为铜， λ=375 w/(mK );(2)材料为钢， λ=36.4 w/(mK );(3)材料为铬砖， λ=2.32 w/(mK )；(4)材料为铬藻土砖， λ=0.242 w/(mK ) 。

解：参见图1-3。 及一维稳态导热公式有：

2321 mW1028.905.0

10030032.2

ww tt

q铬砖：

2221 mW1068.905.0

100300242.0

ww tt

q硅藻土砖：

讨论：由计算可见， 由于铜与硅藻土砖导热系数的巨大差别， 导致在相同的条件下通过铜板的导热量比通过硅藻土砖的导热量大三个数量级。 因而，铜是热的良导体， 而硅藻土砖则起到一定的隔热作用

2621 mW105.105.0

100300375

ww tt

q铜：

2521 mW1046.105.0

1003004.36

ww tt

q钢：

(1)定义：流体中（气体或液体）温度不同的各部分之 间，由于发生相对的宏观运动而把热量由一处 传递到另一处的现象。

2 对流（热对流） (Convection)

(2) 对流换热：当流体流过一个物体表面时的热量传递 过程，他与单纯的对流不同，具有如下特点： a 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程 b 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也 必须有温差 c 壁面处会形成速度梯度很大的边界层 (3)对流换热的分类

无相变：强迫对流和自然对流

有相变：沸腾换热和凝结换热

图 1-4 对流换热中边界层的示意图

W )( tthAΦ w

2mW )(

fw tth

AΦq

Convection heattransfer coefficient

(4) 对流换热的基本计算公式——牛顿冷却公式

h — 表面传热系数

— 热流量 [W] ，单位时间传递的热量

q 2mW— 热流密度 K)(mW 2

A 2m— 与流体接触的壁面面积

wt C— 固体壁表面温度 t — 流体温度 C

—— 当流体与壁面温度相差 1 度时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量

))(( ttAΦh w K)(mW 2

影响h因素：流速、流体物性、壁面形状大小等

h

h

r

t

h

tq

R

t

hA

tΦ

1

)(1

（ Convection heat transfer coefficient ）(5) 对流换热系数 (表面传热系数 )

对流换热系数对流换热过程 对流换热系数 自然对流 空气 2-25

液体 50-100

强制对流 空气 25-250

液体 50-20000

沸腾或凝结换热 2500-100000

h

h

r

t

h

tq

R

t

hA

tΦ

1

)(1

][ )(1 WChARh

][ 1 2 WCmhrh

Thermal resistance for convection

(6) 对流换热热阻：

(1) 定义：有热运动产生的，以电磁波形式传递能量的现象3 3 热辐射 (Thermal radiation)

(2) 特点： a 任何物体，只要温度高于 0 K，就会不停地向周围空间发出热辐射； b 可以在真空中传播； c 伴随能量形式的转变；d 具有强烈的方向性； e 辐射能与温度和波长均有关； f 发射辐射取决于温度的 4 次方。 (3) 生活中的例子： a 当你靠近火的时候，会感到面向火的一面比背面热； b 冬天的夜晚，呆在有窗帘的屋子内会感到比没有窗帘时 要舒服； c 太阳能传递到地面 d 冬天，蔬菜大棚内的空气温度在 0℃以上，但地面却可能 结冰。

图 1－ 6

(5) 辐射换热的特点

a 不需要冷热物体的直接接触；即：不需要介质的存在，在

真空中就可以传递能量

b 在辐射换热过程中伴随着能量形式的转换

物体热力学能 电磁波能 物体热力学能

c 无论温度高低，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

体辐射给高温物体的能量；总的结果是热由高温传到低温

(4) 辐射换热：物体间靠热辐射进行的热量传递，它与单纯的热辐射不同，就像对流和对流换热一样， ( 参照图 1－ 8) 。

(6) 辐射换热的研究方法：假设一种黑体，它只关心热辐射的共性规律，忽略其他因素，然后，真实物体的辐射则与黑体进行比较和修正，通过实验获得修正系数，从而获得真实物体的热辐射规律

(7) 黑体的定义：能吸收投入到其表面上的所有热辐射的物体，包括所有方向和所有波长，因此，相同温度下，黑体的吸收能力最强

(8)黑体辐射的控制方程： Stefan-Boltzmann 定律

，

4TA 4Tq

，

4TA真实物体则为：

（ 9） 两黑体表面间的辐射换热 ( 参见图 1－ 9) ：

)( 42

41 TTA

)( 42

4121 TTq

4

2T

1T 2T

图 1－ 7 两黑体表面间的辐射换热

41T

角系数 角系数：某一表面 1 发射的辐射能投

射到表面 2 的部分，称为表面 1 到表面 2 的角系数，用 表示。

124

20212214

10121 XTAQXTAQ

124

202214

10112211 XTAXTAQQQ

21x

212121A XAX

))()((

)(

21212

22

11210

42

411210

TTTTTTXA

TTXAQ

例 题 1-2

一根水平放置的蒸汽管道， 其保温层外径 d=583 mm ，外表面实测平均温度及空气温度分别为 ，此时空气与管道外表面间的自然对流换热的表面传热系数 h=3.42 W /(m2 K),

保温层外表面的发射率

CtCt fw 23,48

9.0

问：（ 1 ） 此管道的散热必须考虑哪些热量传递方式； （ 2 ）计算每米长度管道的总散热量。解：（ 1 ）此管道的散热有辐射换热和自然对流换热两种方式。（ 2 ）把管道每米长度上的散热量记为 lq

量为：

)(, fwcl ttdhthdq

)/(5.156

)2348(42.3583.014.3

mW

近似地取管道的表面温度为室内空气温度， 于是每米长度管道外表面与室内物体及墙壁之间的辐射为：

)( 42

41, TTdq rl

)/(7.274

])27323()27348[(9.01067.5583.014.3 448

mW

讨论： 计算结果表明， 对于表面温度为几上几十摄氏度的一类表面的散热问题， 自然对流散热量与辐射具有相同的数量级，必须同时予以考虑。

当仅考虑自然对流时，单位长度上的自然对流散热

三种传热方式总结传热方式 导热 对流 辐射定义 微观粒子的运

动而引起的热量传递

流动的流体与固体壁面之间的换热

以热辐射的形式进行的热量交换

基本定律 傅立叶定律 牛顿冷却定律 S—B定律 特点 导热系数是一

个物性参数 对流换热系数是非物性参数，与流动及其它因素有关

不需要传热介质，是真空中唯一的热量传递方式

需解决的问题

确定温度分布 确定对流换热系数

确定角系数；实际辐射表面的发射和吸收

§1-2 传热过程和传热系数1 传热过程的定义：两流体间通过固体壁面进行的换热2 传热过程包含的传热方式： 导热、对流、热辐射

辐射换热、对流换热、热传导

图 1－ 8 墙壁的散热

3 一维稳态传热过程中的热量传递

图 1－ 9 一维稳态传热过程

忽略热辐射换热，则

左侧对流换热热阻1

1

1Ah

Rh

固体的导热热阻

右侧对流换热热阻1

1

1Ah

Rh

AR

上面传热过程中传递的热量为：

21

21

21

21

11)()(

AhAAh

tt

RRR

ttΦ ff

hh

ff

(1-10)

tAkttAkΦ ff )( 21

传热系数 ，是表征传热过程强烈程度的标尺，不是物性参数，与过程有关。

]KmW[ 2

传热系数

21

21

111

1

hh rrrhh

k

单位热阻或面积热阻

a k 越大，传热越好。若要增大 k，可增大 或减小21 , , hh

c h1 、 h2 的计算方法及增加k值的措施是本课程的重要

内容

注意：

b 非稳态传热过程以及有内热源时，不能用热阻分析法

§1-3 传热学发展简史18 世纪 30年代工业化革命促进了传热学的发展

导热（ Heat conduction ） 钻炮筒大量发热的实验（ B. T. Rumford, 1798年） 两块冰摩擦生热化为水的实验（ H. Davy, 1799 年） 导热热量和温差及壁厚的关系（ J. B. Biot, 1804年） Fourier 导热定律 (J. B. J. Fourier , 1822 年） G. F. B. Riemann/ H. S. Carslaw/ J. C. Jaeger/ M.

Jakob

对流换热 （ Convection heat transfer ） 不可压缩流动方程 （M.Navier,1823年 ) 流体流动Navier-Stokes 基本方程 (G.G.Stokes,1845年） 雷诺数 (O.Reynolds,1880年） 自然对流的理论解（ L.Lorentz, 1881年） 管内换热的理论解（ L.Graetz, 1885年；W.Nusselt,1916年） 凝结换热理论解 （W.Nusselt, 1916年） 强制对流与自然对流无量纲数的原则关系 （W.Nusselt,1909年 /

1915年） 流体边界层概念 （ L.Prandtl, 1904年） 热边界层概念 （ E.Pohlhausen, 1921年） 湍流计算模型 （ L.Prandtl,1925年； Th.Von Karman, 1939年；R.C. Martinelli, 1947年）

热辐射及辐射换热 (Thermal radiation) 黑体辐射光谱能量分布的实验数据 (O.Lummer,1889年） 黑体辐射能量和温度的关系 (J.Stefan and L.Botzmann,1

889年） 黑体辐射光谱能量分布的公式

维恩公式（ 1896年） /Rayleigh-Jeans公式能量子假说 （M. Planck,1900年） / 光量子理论（ A.Einstein,1905年）

物体的发射率与吸收比的关系（G.Kirchhoff,1859年 /1860年）

物体间辐射换热的计算方法 （波略克， 1935年；H.C.Hotel, 1954年；A.K.Oppenheim,1956年 )

数值传热学 （ 1970年）

本章小结：如果两个物体之间存在温差，则有热量的传递；热量传递的方式有三种：导热、对流和辐射；

传热学的核心问题是确定一定温差下单位时间、单位面积的传热量；通过分析影响传热量的因素，研究强化传热和隔热的措施；

为了确定传热量，对于三种传热方式，需要解决的问题是不同的：导热——温度场、对流——对流换热系数、辐射换热——发射和吸收、角系数；

在很多情况下，三种传热方式可能同时起作用，或某种方式起主导作用；一个传热过程由几个传热环节组成，不同传热环节的传热热阻串联，同一传热环节的传热热组并联。

本章小结：

(1) 导热 Fourier 定律：(2) 对流换热 Newton 冷却公式：(3) 热辐射 Stenfan-Boltzmann 定律： (4) 传热过程

xt

AΦdd

tAh

4TA

思考题：

1. 热量传递的基本方式及传热机理。2. 一维傅立叶定律的基本表达式及其中各物理量的定义。3.牛顿冷却公式的基本表达式及其中各物理量的定义。4.黑体辐射换热的四次方定律基本表达式及其中各物理量 的定义。5. 传热过程及传热系数的定义及物理意义。6. 热阻的概念 . 对流热阻 , 导热热阻的定义及基本表达式。7.接触热阻 ,污垢热阻的概念。8.使用串连热阻叠加的原则和在换热计算中的应用。9. 对流换热和传热过程的区别 . 表面传热系数 ( 对流换热

系 数 ) 和传热系数的区别。10.导热系数 , 表面传热系数和传热系数之间的区别。

作业：

1-5 ， 1-6 ， 1-9 ， 1-14 ， 1-17 ， 1-26 ， 1-27 ，

1-28 ， 1-31