什么是传热学?

什么是传热学?

[拼音]：chuanrexue

[外文]：heat transfer

研究不同温度的物体或同一物体的不同部分之间热量传递规律的学科。传热不仅是常见的自然现象，而且广泛存在于工程技术领域。例如，提高锅炉的蒸汽产量，防止燃气轮机燃烧室过热烧毁、减小内燃机气缸和曲轴的热应力、确定换热器的传热面积和控制热加工时零件的变形等，都是典型的传热问题。通常要求传热学解决的问题是：热量传递的方式、多少和快慢，传递过程中或过程终了时物体内部的温度分布。

简史

传热学作为学科形成于19世纪。在热对流方面，英国科学家I.牛顿于1701年在估算烧红铁棒的温度时提出了被后人称为牛顿冷却定律的数学表达式。这个表达式虽然沿用至今，但是它本身没有揭示对流换热的机理。对流换热的真正发展是19世纪末叶以后的事情。1904年德国流体力学家L.普朗特的边界层理论和1915年E.K.W.努塞尔的因次分析，为从理论上和实验上正确理解和定量研究对流换热奠定了基础。1929年，E.H.施密特指出了传质(见质量传递)与传热的类同之处。在热传导方面，法国物理学家J.B.毕奥于1804年得出的平壁导热实验结果是导热定律的最早表述。稍后，法国的J.B.傅里叶运用数理方法更准确地把它表述为后来称为傅里叶定律的微分形式。热辐射方面的理论比较复杂。1860年，G.R.基尔霍夫通过人造空腔模拟绝对黑体，论证了在相同温度下以黑体的辐射率（黑度）为最大，指出物体的辐射率与同温度下该物体的吸收率相等，被后人称为基尔霍夫定律。1878年，J.斯忒藩由实验发现辐射率与绝对温度四次方成正比的事实，1884年又为L.E.玻耳兹曼在理论上所证明，称为斯忒藩－玻耳兹曼定律，俗称四次方定律。1900年，M.普朗克在研究空腔黑体辐射时得出的普朗克热辐射定律不仅描述了黑体辐射与温度、频率的关系，还论证了W.维恩提出的黑体能量分布的位移定律。

传热方式

传热的基本方式有热传导、热对流和热辐射3种。

热传导

在不涉及物质转移的情况下，热量从物体中温度较高的部位传递给相邻的温度较低的部位，或从高温物体传递给相接触的低温物体的过程，简称导热。热传导的规律遵循傅里叶定律

q＝－


·gradT

式中q为单位时间内单位面积上导出的热量，称为热流密度，方向与gradT相反；gradT为沿热流方向的单位长度上温度的增量，称为温度梯度；k为反映材料导热能力的系数，称为热导率或导热系数。

热对流

不同温度的流体各部分由相对运动引起的热量交换。工程上广泛遇到的对流换热（或称对流传热、对流放热）是指流体与其接触的固体壁面之间的换热过程，它是热传导和热对流综合作用的结果。决定换热强度的主要因素是对流的运动情况。对流运动按起因分为自然对流和受迫对流，按运动特性分为层流和湍流。对流换热的强度可以用牛顿冷却定律来描述:

q＝h(TW－Tf)

式中q为对流换热的热流密度;TW－Tf为固体表面与流体间的温度差；h为对流时的传热系数，也称换热系数，它受到流体性质、流体速度、壁面的形状和粗糙度等许多因素的影响。

热辐射

物体因自身具有温度而辐射出能量的现象。它是波长在0.1～100微米之间的电磁辐射，因此与其他传热方式不同，热量可以在没有中间介质的真空中直接传递。太阳就是以辐射方式向地球传递巨大能量的。每一物体都具有与其绝对温度的四次方成比例的热辐射能力，也能吸收周围环境对它的辐射热。辐射和吸收所综合导致的热量转移称为辐射换热。辐射换热的强度可由斯忒藩－玻耳兹曼定律表述

式中q为辐射换热的热流密度；σ为斯忒藩－玻耳兹曼常数，又称黑体辐射常数；T1、T2分别为换热双方的热力学温度。因此，辐射换热的强弱强烈地依赖于换热双方物体的温度。

研究方法

实际传热过程一般都不是单一的传热方式，如火焰对炉壁的传热，就是辐射、对流和传导的综合，而不同的传热方式则遵循不同的传热规律。为了分析方便，人们在传热研究中把3种传热方式分解开来，然后再加以综合。对于一个复杂的传热现象，要完全真实地描述并作定量计算是不可能的，通常都是构思一个简化模型并借助于近似计算方法来解决问题。传热学有多种研究方法，主要的有：以相似分析和测试技术相结合的实验方法。这种方法适应性大，能够解决其他方法难于奏效的一些比较复杂的传热课题；可信度高，对诸如湍流和沸腾这样一类换热模型还不太清楚的课题更是如此；同时又是其他研究手段的检验标准。但是一般说来，这种方法耗费较大，有时模化因素太多，也难于全面解决问题。利用某些不同现象间运动规律的类同，对传热过程进行热模拟也是常用的研究方法，但其应用范围有限。建立在微分方程或积分方程求解基础上的解析法，是一种推理严密、结论明确的经典理论方法，又是相似分析和数值计算的基础。但是解析法往往需要对问题作较大简化，而且在技术上，主要由于数学方面的原因，除少数简单情况外，应用它求解一般问题还受到限制。对基本方程进行数值求解能够避免这个缺点，随着计算机的应用和计算数学的发展，正在发展成为一个有效求解的新途径。这种方法应用灵活，对于优化方案设计可快速地置换参数，尤其显得方便；还适宜于处理物性参数为非线性的传热课题，能提高计算精度。当然，所有这些方法都是相辅相成的，应根据具体情况选择利用。

发展前景

20世纪以前，传热学是作为物理热学的一部分而逐步发展起来的。20世纪以后，传热学作为一门独立的技术学科获得迅速发展，越来越多地与热力学、流体力学、燃烧学、电磁学和机械工程学等一些学科相互渗透，形成多相传热、非牛顿流体传热、燃烧传热、等离子体传热和数值计算传热等许多重要分支。工业中应用广泛的换热器和对传热影响很大的热物性等一些长期未被人们注意的课题，已开始受到重视。机械工程仍不断地向传热学提出大量新的课题。如浇铸和冷冻技术中的相变导热，切削加工中的接触热阻和喷射冷却，等离子工艺中带电粒子的传热特性，核工程中有限空间的自然对流，动力和化工机械中超临界区换热，有化学反应时固定床和流化床内的换热，小温差换热，两相流换热，复杂几何形状物体的换热，湍流换热，传热强化等。激光等新的实验技术的引入和计算机的应用，为传热学的发展提供了广阔前景。

参考书目

王补宣著：《工程传热传质学》（上册），科学出版社，北京，1982。J.P.霍尔曼著，马庆芳等译：《传热学》，人民教育出版社，北京，1979。(J.P.Holman， 4th ed.，McGraw-Hill.New York.1976.)