《热量传递原理》课件

热量传递原理热量传递原理是研究热能在不同温度物体或系统之间传递规律的学科，它是热力学与流体力学的重要分支本课程将系统探讨热量传递的三种基本方式热传导、热对流和热辐射，深入分析能量守恒原理在热传递过程中的应用以及传热效率的优化方法通过学习本课程，您将掌握热量传递的基本理论框架，了解不同传热方式的物理机制，并能将这些知识应用于工业设计、能源利用、环境控制等多个领域课程内容既有理论深度，又注重工程实践，旨在培养学生分析和解决复杂热量传递问题的能力课程概述教学目标评分标准参考教材培养学生掌握热量传递的基本理论平时作业（30%）、实验报告《传热学》（第四版）杨世铭、陶和计算方法，能够分析和解决工程（20%）、期末考试（50%）要文铨著，高等教育出版社；《Heat中的传热问题，具备应用热量传递求学生积极参与课堂讨论，认真完Transfer:A PracticalApproach》原理进行设备设计和优化的能力成作业，掌握实验技能，并在期末by YunusA.Cengel；以及课程网考试中展示对理论知识的理解站提供的补充学习资料第一章热量传递基础概念热量传递定义热能在不同温度物体间的转移过程物理本质微观粒子运动与能量传递工程应用从发电厂到家用电器的广泛应用热量传递是工程热物理学的核心分支，研究热能在空间和时间上的分布及其传递规律它解释了为什么冰在室温下会融化，热咖啡会逐渐冷却，以及炎热的夏日为何感到闷热理解热量传递原理对于解决能源利用、环境控制、材料加工等领域的实际问题具有重要意义热量传递的基本概念温度梯度热流密度温度场中温度随空间坐标变化的单位时间内通过单位面积传递的程度，是热量传递的驱动力数热量，是表征热量传递强度的物学上表示为温度对位置的偏导理量，用符号q表示，单位为数，方向指向温度降低最快的方W/m²其大小与温度梯度、介向质性质密切相关传热状态稳态传热指系统温度分布不随时间变化；非稳态传热则是温度场随时间变化的热传递过程，具有瞬态特性，计算更为复杂热量传递的三种基本方式热对流依靠流体宏观流动携带热量，包括自然对流和强制对流两种类型热传导•热量与质量同时传递•遵循牛顿冷却定律通过物质内部分子间相互作用传递热量，无•流体流动起关键作用宏观物质流动，主要发生在固体内部•需要物质媒介热辐射•遵循傅里叶定律以电磁波形式传播热能，无需介质，在真空•与温度梯度成正比中也能传递热量•不需要物质媒介•遵循斯特藩-玻尔兹曼定律•与绝对温度四次方成正比传热学的研究对象热量传递规律研究探索热量传递的本质机制和数学描述，建立各种传热条件下的物理模型和计算方法包括导热、对流和辐射基本定律的推导与应用，以及复杂传热问题的简化与求解与热力学的关系热力学研究能量转换和平衡状态，传热学研究热能传递的过程和速率热力学关注能否发生，传热学关注如何发生两者相辅相成，共同构成热科学的理论基础工程应用的重要性传热学为换热器设计、建筑节能、电子设备散热、工业炉窑优化等提供理论支持解决工程传热问题能够提高能源利用效率，降低生产成本，改善产品性能和可靠性热量传递过程分析温差驱动原理热量总是从高温区域向低温区域传递，温度差是热量传递的根本驱动力温差越大，热流密度越大，传热速率越快这一原理是所有传热过程的基础，符合热力学第二定律热阻概念热阻表示物体或系统对热量传递的阻碍作用，类似于电路中的电阻导热热阻R=δ/λA，对流热阻R=1/αA，辐射热阻可通过辐射换热系数计算热阻越大，传热能力越弱热阻网络分析复杂传热问题可通过建立热阻网络进行分析计算串联热阻的总热阻等于各热阻之和，并联热阻的总热阻倒数等于各热阻倒数之和通过热阻网络可方便地计算多层结构和复合传热的热量传递速率第二章热传导导热的物理本质傅里叶导热定律导热系数影响因素热传导是通过物质分子、原子或电子的相傅里叶导热定律指出，通过导热传递的热导热系数λ是材料的物理性质，受物质种互作用和能量传递而进行的热量传递过流密度与温度梯度成正比，数学表达为q=-类、温度、压力等因素影响金属导热系程在微观层面，高温区域的粒子具有较λdT/dx其中负号表示热量传递方向与数高，气体导热系数低；多数物质的导热高的动能，通过碰撞将能量传递给低温区温度梯度方向相反，λ为导热系数，反映材系数随温度升高而增大；多孔材料的导热域的粒子，但粒子本身没有宏观位移料导热能力系数与密度、孔隙率密切相关热传导的微观机制分子、原子热运动自由电子贡献不同物质导热机制差异固体中分子、原子围绕平衡位置做热振金属中存在大量自由电子，它们除了传气体分子间距大，碰撞机会少，主要依动，能量通过晶格波（声子）传播高递电荷外，还能高效传递热能自由电靠分子扩散传热，导热系数最低液体温区域的粒子振动更剧烈，通过弹性碰子热运动速度快，平均自由程长，因此分子排列无序但较密集，导热能力强于撞将能量传递给振动较弱的低温区域粒金属的导热系数远高于非金属材料气体但弱于固体子，实现热能的定向传递金属导热能力与其电导率密切相关，两绝缘材料和复合材料中，气体填充的孔非金属晶体主要通过这种方式传热，导者的比值近似为常数，这就是维德曼-弗隙、界面接触热阻、辐射传热等因素共热能力受晶格结构和缺陷影响温度升朗兹定律这也解释了为什么良好的导同影响热传导过程了解这些微观机制高时，晶格振动加剧，但同时也增加了电体通常也是良好的导热体，如铜、的差异，有助于设计和选择特定传热性声子散射，因此非金属导热系数随温度铝、银等金属能的材料变化规律比较复杂傅里叶导热定律基本表达式一维稳态导热q=-λdT/dx三维导热q=-λgradT傅里叶定律表明热流密度矢量与温度梯度成正比，方向相反它是导热分析的基础，适用于各种形状、稳态与非稳态条件下的导热问题物理意义负号表示热量传递方向与温度梯度方向相反，即热量总是从高温向低温传递，这符合热力学第二定律温度梯度越大，单位时间内通过单位面积的热量越多，表明温差是热量传递的驱动力导热系数λ越大，材料导热能力越强导热系数单位与量纲导热系数λ的国际单位是W/m·K，表示在1米厚的材料中，当两侧温差为1K时，单位面积每秒钟传递的热量导热系数是材料的物理属性，反映了材料传导热量的能力金属导热系数通常为10-400W/m·K，绝缘材料为

0.01-1W/m·K，气体约为

0.01-

0.1W/m·K一维稳态导热导热类型温度分布热流公式热阻表达式平壁导热线性分布q=λt₁-t₂/δR=δ/λA圆筒壁导热对数分布q=2πλLt₁-R=t₂/lnr₂/r₁lnr₂/r₁/2πλL球壁导热倒数分布q=4πλt₁-R=[1/r₁-t₂/[1/r₁-1/r₂]/4πλ1/r₂]一维稳态导热是传热学中最基本的问题，它假设热量仅在一个方向上传递，且温度分布不随时间变化根据物体形状不同，导热方程和温度分布也有所不同平壁中温度呈线性分布，圆筒壁中温度呈对数分布，球壁中温度与半径的倒数成正比平壁导热分析圆筒壁导热分析圆筒壁导热是工程中常见的导热问题，如管道传热、电缆散热等对于内外半径分别为r₁和r₂的圆筒壁，当内外表面温度分别为t₁和t₂时，径向温度分布为tr=t₁-t₁-t₂·lnr/r₁/lnr₂/r₁，呈对数分布而非线性分布圆筒壁导热的热流计算需考虑热流通过的面积随半径变化通过推导可得导热热流q=2πλLt₁-t₂/lnr₂/r₁，其中L为圆筒长度对数平均面积概念可用于简化计算，相当于引入一个等效传热面积圆筒壁导热热阻R=lnr₂/r₁/2πλL，随壁厚增加而增大多层复合导热复合平壁导热总热阻为各层热阻之和复合圆筒壁导热各层对数热阻串联总传热系数计算K=1/总热阻工程中常见多层材料复合的导热问题，如多层墙体、保温管道等复合平壁的总热阻等于各层热阻之和，即R总=δ₁/λ₁A+δ₂/λ₂A+...+δ/λA各层之间的界面温度可通过热阻分配计算，即温降与热阻成正比ₙₙ复合圆筒壁导热同样遵循热阻串联原理，总热阻为R总=lnr₂/r₁/2πλ₁L+lnr₃/r₂/2πλ₂L+...+lnr/r/2πλL总传ₙ₊₁ₙₙ热系数K定义为单位面积、单位温差下的传热量，K=1/A·R总，是设计和评价隔热性能的重要参数导热系数影响因素材料种类与物性温度影响材料的物理结构、化学成分和微观大多数材料的导热系数随温度变化状态决定了导热系数的基本大小而变化金属导热系数通常随温度金属因自由电子多导热系数高10-升高而降低，因为温度升高会增加400W/m·K，非金属固体次之晶格振动，增强电子散射，降低电

0.1-10W/m·K，液体较低

0.1-子平均自由程气体导热系数随温

0.7W/m·K，气体最低

0.01-

0.03度升高而增大，因为分子运动速度W/m·K多孔材料导热系数取决和碰撞频率增加绝缘材料中，高于固体骨架、气体填充和辐射传热温下辐射传热比例增大，导热系数的综合作用随温度升高而增大压力影响固体和液体的导热系数对压力变化不太敏感，只有在极高压力下才有明显变化气体导热系数在低压下随压力降低而显著减小，因为分子平均自由程增大，碰撞减少；但当压力降至某临界值以下时，导热系数几乎不再变化多孔材料在压缩状态下导热系数通常增大，因为气孔减少，固体接触面积增加特殊材料导热特性金属材料导热特性绝热材料导热特性相变材料导热特性金属是最常用的高导热材料，导热系数绝热材料设计目标是最小化热传递，常相变材料PCM在相变过程中能吸收或释通常在20-400W/m·K之间纯金属导采用多孔结构，利用空气导热系数低的放大量潜热，常用于热能储存相变过热性能优于合金，因为合金元素会增加特点常见绝热材料包括玻璃棉

0.03-程中材料温度保持恒定，但热流密度可晶格畸变和电子散射银的导热系数最

0.05W/m·K、聚氨酯泡沫

0.02-

0.03能很大，相当于导热系数突变高约429W/m·K，其次是铜约398W/m·K、气凝胶

0.01-

0.02W/m·K等PCM的固态和液态导热系数通常不同，W/m·K和铝约237W/m·K相变界面的移动增加了传热过程的复杂金属的导热系数随温度升高通常略有下绝热材料的导热系数受密度、孔隙率、性常见PCM包括石蜡导热系数约

0.2降，但低温下变化更明显超导体在临孔径分布等因素影响在真空条件下，W/m·K、水合盐

0.5-

0.7W/m·K等，为界温度以下导热性能有特殊变化，这与辐射传热成为主导，此时添加红外反射提高热响应速度，常添加石墨等高导热电子与声子的相互作用机制有关材料可进一步降低总导热系数材料形成复合PCM导热的工程应用建筑保温与节能热电偶与温度测量导热油与热管建筑外墙、屋顶和地板的隔热设计是减少热电偶利用塞贝克效应，两种不同金属连热管是高效传热元件，利用工质相变和毛建筑能耗的关键通过选择合适的保温材接形成回路时，温度差会产生电动势测细力实现热量传递其等效导热系数可达料和优化墙体结构，可以显著降低冬季供量点与参考点的温差越大，产生的热电势数千至数万W/m·K广泛应用于电子设暖和夏季制冷能耗外墙保温材料导热系越大常用热电偶类型包括K型镍铬-镍备散热、航天器温控和工业废热回收导数通常在

0.02-

0.05W/m·K范围内，如挤硅、T型铜-康铜等，测温范围从-200℃热油则用于间接加热系统，在300-400℃高塑板、聚氨酯泡沫等到1800℃不等温下仍保持良好的传热性能第三章热对流对流换热的物理本质流体流动与分子热传导的耦合过程对流换热基本方程牛顿冷却定律q=αtw-tf对流传热系数受流体性质、流动状态和边界条件影响热对流是热量随流体流动而传递的过程，结合了热传导与流体运动在固体表面与流体之间的对流换热是工程中最常见的传热方式流体流动可以显著增强热量传递效率，因为流动携带热能的能力远强于分子热传导对流换热的基本方程是牛顿冷却定律，它表明热流密度与温差成正比对流传热系数α是一个重要参数，反映了对流换热的强度，受流体物性、流动状态、表面形状和边界条件的综合影响对流传热系数的确定是对流换热计算的核心和难点对流传热的特点流体流动与热量传递耦合边界层概念对流传热过程中，流体流动与热量在流体流过固体表面时，由于粘性传递相互影响、密不可分流体流作用，表面附近形成速度变化剧烈动通过对流增强热量传递；同时，的薄层，称为速度边界层同样，温度分布引起的密度变化又会影响当固体表面与流体温度不同时，表流体流动这种耦合关系使对流传面附近形成温度变化剧烈的区域，热问题比纯导热问题更为复杂流称为温度边界层边界层内的流动场和温度场需要同时求解，涉及质和温度梯度决定了对流换热的强量、动量和能量守恒方程组度复杂性与难点对流传热的复杂性来源于流体流动的非线性特性和多种因素的交互作用特别是湍流状态下，流体微团的随机脉动使问题更加复杂此外，自然对流中浮力作用、相变过程中潜热释放、多相流中界面传热等因素都增加了分析难度，往往需要依靠实验相关式或数值模拟方法对流换热分类按驱动力分类按流动状态分类自然对流依靠温差引起的密度差和浮力层流对流流体微团沿流线运动，无宏观驱动流体流动混合强制对流依靠外部动力装置（如泵、风湍流对流流体微团作无规则脉动，增强机）驱动流体流动宏观混合混合对流自然对流与强制对流共同作用过渡流介于层流与湍流之间的状态的情况按流动区域分类按介质状态分类内流对流流体在封闭通道（如管道）内单相对流流体保持单一相态流动相变对流流体发生相变（如沸腾、凝外流对流流体在无限空间中流过物体表结）面多相对流多种相态流体共存的情况射流与尾流特殊的流动结构中的对流传热强制对流定义与特征流体在外力作用下流动产生的对流换热驱动力来源泵、风机、压缩机等机械设备工程应用换热器、空调、发动机冷却系统等强制对流是工程中最常见的对流换热方式，通过外部动力装置强制流体流动，提高传热效率与自然对流相比，强制对流的传热系数通常要大1-2个数量级，可达到数百至数千W/m²·K在强制对流中，惯性力占主导地位，流动速度是影响传热的关键因素强制对流的换热特性主要由雷诺数Re和普朗特数Pr控制雷诺数表征惯性力与粘性力的比值，决定流动状态；普朗特数表征动量扩散与热量扩散的比率，是流体物性参数强制对流问题通常通过实验相关式求解，如努塞尔数Nu与Re、Pr的关系式常见工程应用包括各类换热器、空调系统、发动机冷却系统等自然对流温度差产生固体表面与流体间存在温度差，引起流体密度变化密度差形成高温流体密度降低，低温流体密度增加浮力作用密度差产生浮力，轻质流体上升，重质流体下降对流形成流体流动携带热量，实现热量传递自然对流是依靠温度差引起的流体密度变化和浮力作用而形成的对流换热当固体表面与周围流体温度不同时，靠近表面的流体层因温度变化而产生密度差，在重力场中产生浮力，驱动流体流动，形成自然对流这种对流方式无需外部动力设备，能耗低，但传热系数通常较小，在5-25W/m²·K范围自然对流的强度由格拉晓夫数Gr和普朗特数Pr决定格拉晓夫数表征浮力与粘性力的比值格拉晓夫数与普朗特数的乘积称为瑞利数Ra，是判断自然对流换热强度的重要参数自然对流广泛应用于散热器、冷却塔、自然通风系统、太阳能集热器等设备中对流传热系数α5-25气体自然对流W/m²·K20-300气体强制对流W/m²·K500-10000液体强制对流W/m²·K2500-100000相变换热W/m²·K对流传热系数α是牛顿冷却定律中的比例系数，定义为单位面积、单位温差下的传热热流密度，单位为W/m²·K它反映了对流换热的强度，受多种因素影响，包括流体物性密度、比热容、导热系数、黏度、流动特性速度、流动状态、表面几何形状尺寸、形状、粗糙度以及温度差等对流传热系数不是物质常数，而是反映特定条件下传热性能的综合参数在实际工程中，α值可以差异很大，从气体自然对流的几W/m²·K到沸腾、凝结等相变过程的数万W/m²·K准确确定α是对流换热计算的核心，常采用理论分析、实验相关式和数值模拟等方法获取对流传热系数的理论分析法理论分析法通过建立控制方程组描述对流换热过程这些方程包括连续性方程质量守恒、动量方程牛顿第二定律和能量方程能量守恒对于复杂流动，还需考虑湍流模型方程这些偏微分方程构成了描述对流换热的完整数学模型边界条件的设定对求解至关重要，包括入口条件、壁面条件如不滑移条件、恒温或恒热流和出口条件对于简单几何和流动条件，可获得解析解；但大多数实际问题需要数值方法求解，如有限差分法、有限体积法和有限元法等数值计算结果可以得到详细的温度场和流场信息，进而计算出对流传热系数对流传热系数的实验方法对流传热系数的类比法动量传递与热量传递的类比雷诺类比其他类比理论动量传递与热量传递在数学描述上具有雷诺类比是最早提出的动量与热量传递普朗特类比改进了雷诺类比，考虑了分相似性动量传递由牛顿内摩擦定律描类比理论，适用于Pr=1的流体它假设子扩散的影响，引入普朗特数修正St=述τ=μdu/dy，热量传递由傅里叶定速度和温度分布相似，推导出摩擦系数cf cf/2/[1+Pr-1f]，其中f为经验函数这律描述q=-λdt/dy两者都是通过分与斯坦顿数St的关系St=cf/2通过这一类比适用于更广泛的流体，特别是气子运动实现的扩散过程，都与相应梯度一关系，可以从已知的流体阻力计算传体和液体金属成正比热系数冯卡门类比和马丁内利类比进一步考虑在流体流动中，速度边界层内的动量传雷诺类比虽然简单直观，但忽略了分子了边界层内速度和温度分布的细节，提递与温度边界层内的热量传递存在内在扩散的贡献，仅适用于湍流核心区对高了预测精度类比法虽然有其理论简联系如果两个边界层厚度相近Pr≈1，于包含粘性底层的完整边界层，需要更化假设，但在工程中仍是一种有效的分则两种传递过程的机制和特性也相近，复杂的类比理论尽管有局限性，雷诺析工具，特别是在复杂几何条件下，可这就为通过已知的流动特性推导传热特类比仍是理解对流传热本质的重要工以通过已知的阻力系数快速估算传热性性提供了理论基础具能对流换热的量纲分析雷诺数Re普朗特数Pr努塞尔数NuRe=ρuL/μPr=μcp/λNu=αL/λ表征惯性力与粘性力的比表征动量扩散与热量扩散的表征对流换热与纯导热的比值，决定流动状态层流或湍比率，是流体物性参数值，是对流换热的强度指流Re越大，惯性力越占主Pr≈1气体，表示速度边界标Nu越大，对流效应越显导，湍流强度越高，有利于层与温度边界层厚度相当；著Nu=fRe,Pr是对流换热增强对流换热Pr1水等液体，温度边界计算的核心关系式层较薄；Pr≪1液态金属，温度边界层较厚格拉晓夫数GrGr=gβΔTL³/ν²表征浮力与粘性力的比值，是自然对流的特征参数Gr越大，浮力作用越强，自然对流越剧烈与Ra=Gr·Pr一起，确定自然对流的流动状态和传热强度管内强制对流传热系数计算充分发展段特性湍流状态下Re10000，常用Dittus-Boelter入口段特性速度和温度分布形状不再变化的区域层流公式Nu=

0.023Re^

0.8·Pr^n，n=

0.4加热或流体进入管道初始段，速度和温度分布逐渐中速度呈抛物线分布，湍流中速度较为平

0.3冷却对于过渡区2300发展流动入口长度约为Le,h≈

0.05Re·D，温坦充分发展段传热系数保持恒定，计算相度入口长度为Le,t≈

0.05Re·Pr·D入口段传热对简单层流下Nu数为常数壁温恒定时系数较高，沿流动方向逐渐降低直至稳定Nu=

3.66，热流恒定时Nu=

4.36管外强制对流单管外流流体垂直流过单根圆管是基本研究对象前缘形成滞止点，边界层沿管壁发展，后缘可能出现分离和尾流传热系数沿周向变化，前缘最大，分离点附近最小平均努塞尔数可用公式Nu=C·Re^m·Pr^n计算，系数C、m、n随雷诺数范围变化管束横流工程中常用管束结构提高传热面积和效率管束排列有正方形和三角形两种基本方式后排管受前排管尾流影响，流动和传热特性与单管不同传热计算采用Grimison等相关式，引入排列方式和排数修正系数管束总传热量与流体通过管束的压降密切相关强化传热技术管外强制对流常采用翅片、涡流发生器等强化传热翅片增加换热面积，适用于气体等传热系数较低的流体涡流发生器通过破坏边界层、增强流体扰动来提高局部传热系数选择合适的强化方式需平衡传热增强与流动阻力增加的关系自然对流换热计算构型流动状态关联式适用范围垂直平板层流Nu=

0.59Ra^

0.2510^4Ra10^9垂直平板湍流Nu=

0.1Ra^

0.3310^9Ra10^13水平圆管层流Nu=

0.53Ra^

0.2510^4Ra10^9水平圆管湍流Nu=

0.13Ra^

0.3310^9Ra10^13自然对流换热计算基于实验相关式，以无量纲准则数表示关键参数是瑞利数Ra=Gr·Pr，它反映浮力与粘性力之比与流体导热性能的综合效应Ra数越大，自然对流越强，传热效果越好不同几何构型和流动状态下，努塞尔数与瑞利数的关系式系数和指数不同垂直平板自然对流中，流体沿板壁形成上升流或下降流，传热系数随板高变化水平管外自然对流具有周向不均匀性，底部传热较弱，顶部最强密闭空间自然对流如双层玻璃窗受空间尺寸比影响显著，当垂直间距较小时，流体循环受限，传热减弱物性参数应在膜温壁温与流体温度的平均值下取值相变传热沸腾传热凝结传热液体吸收热量变为蒸气的过蒸气释放潜热变为液体的过程沸腾传热效率高，传热系程凝结方式分为膜状凝结和数可达数千至数万W/m²·K滴状凝结，后者传热效率更沸腾过程分为核态沸腾和膜态高膜状凝结模型由Nusselt首沸腾两种基本模式，临界热流先建立，考虑了凝结液膜厚度密度是安全设计的重要参数对热阻的影响凝结传热系数沸腾强化技术包括表面处理、通常比沸腾略低，但仍远高于添加纳米颗粒等方法单相对流相变换热强化技术表面微结构优化可增加核化位点，提高沸腾传热系数；亲水疏水表面处理可促进滴状凝结；微通道和多孔介质结构可增强相变传热面积和效率这些技术在电子器件冷却、热管、相变蓄能等领域有广泛应用沸腾传热凝结传热膜状凝结与滴状凝结垂直平板凝结模型影响因素与工程应用膜状凝结发生在亲水表面，凝结液形成Nusselt模型是分析膜状凝结的经典理凝结传热受蒸气含气量、表面温度、表连续液膜覆盖表面液膜形成额外热论模型假设层流液膜、线性温度分面倾角和几何形状等因素影响少量不阻，阻碍热量传递，但过程稳定可控布、忽略惯性力和对流效应，求解动量凝结气体会显著降低传热系数；表面温方程和能量方程，得到液膜厚度和传热度越低，传热效果越好；水平管比垂直滴状凝结发生在疏水表面，凝结液形成系数管传热效率更高分离的液滴露出的表面直接与蒸气接触，热阻小，传热系数可比膜状凝结高5-对于垂直平板，平均努塞尔数可表示为凝结传热广泛应用于冷凝器、蒸馏设备10倍，但难以稳定维持Nu=

0.943[gρlρl-和热管等表面处理技术如镀铜可促进ρvL³hlv/μlλlΔT]^

0.25，其中ρl、ρv分滴状凝结；肋片和槽道设计有助于液膜别为液相和气相密度，hlv为汽化潜热，排出，减小热阻；涂层材料可改变表面μl、λl为液相黏度和导热系数润湿性，优化凝结方式对流换热的工程应用对流换热是工程系统中最常见的传热方式，尤其在换热器设计中至关重要换热器是实现不同温度流体间热量交换的设备，根据结构可分为管壳式、板式、翅片管式等多种类型换热器设计需考虑传热效率、压降、结垢、腐蚀和经济性等多方面因素计算方法主要包括对数平均温差法LMTD和有效度-传热单元数法ε-NTU在流体加热与冷却系统中，对流换热原理用于设计冷却水系统、加热炉和热处理设备空调与制冷系统中，蒸发器和冷凝器都是对流换热的典型应用，制冷剂在系统中循环，通过相变过程实现热量传递电子设备散热也大量应用对流原理，从风扇强制风冷到液冷系统，都依靠对流换热来维持设备安全工作温度第四章热辐射辐射传热的物理本质电磁波形式的能量传递辐射的基本定律普朗克定律、斯特芬-玻尔兹曼定律辐射换热计算辐射换热网络分析方法热辐射是通过电磁波传递热能的过程，不需要物质媒介，可在真空中传播辐射是物体内部热能转化为电磁波能量并向外辐射的结果，其波长范围主要在

0.1-100μm之间，包括部分紫外线、可见光和大部分红外线辐射传热的强度与物体的绝对温度四次方成正比，因此在高温系统中占主导地位辐射传热是热力学与电磁学相结合的产物研究辐射传热需要理解电磁波谱特性、黑体辐射理论、实际物体的辐射特性以及表面间的辐射换热规律辐射传热与导热、对流传热有本质区别，它可以远距离传递能量，且传热强度随温度升高而急剧增加在工业高温设备、太阳能利用和航天器热控制等领域，辐射传热具有重要意义热辐射特点能量形式转换无需介质传播热辐射过程包含三个基本步骤发射体与导热和对流不同，辐射传热不需要物内部热能转化为电磁波能量并发射；电质媒介，可以在真空中传播太阳能到磁波在空间传播；吸收体接收电磁波并达地球就是典型例子这使得辐射成为转化为内部热能这种能量形式的多次空间环境中唯一的热量传递方式，对航转换是辐射传热的独特特点天器热控制设计至关重要温度依赖性强电磁波特性辐射强度与绝对温度四次方成正比，温热辐射遵循电磁波的基本规律，包括反4度越高，辐射传热越显著在室温下辐射、折射、散射、干涉和衍射等辐射射传热通常较弱，但温度超过500℃波长分布受温度影响，高温物体辐射波后，辐射逐渐成为主要传热方式，长向短波方向移动，低温物体辐射集中1000℃以上时辐射几乎占主导地位在长波红外区域黑体辐射定律普朗克定律描述黑体在不同波长下的辐射强度分布黑体辐射的单色辐射强度Ebλ=C₁λ⁻⁵/[expC₂/λT-1]，其中C₁=

3.742×10⁸W·μm⁴/m²，C₂=

1.439×10⁴μm·K这一定律揭示了黑体辐射强度随波长变化的规律，表明在任何温度下，辐射强度都有一个峰值波长斯特芬-玻尔兹曼定律描述黑体总辐射强度与温度的关系黑体总辐射强度Eb=σT⁴，其中σ=

5.67×10⁻⁸W/m²·K⁴为斯特芬-玻尔兹曼常数，T为黑体绝对温度这一定律是通过对普朗克定律在全波长范围积分得到的，表明黑体总辐射强度与绝对温度四次方成正比维恩位移定律描述黑体辐射峰值波长与温度的关系黑体辐射强度最大的波长λmax=b/T，其中b=

2897.8μm·K为维恩常数，T为黑体绝对温度这一定律解释了为什么物体温度升高时，发出的辐射从红外线逐渐向可见光区域移动（如金属加热时由暗红变为橙黄、白色）实际物体的辐射特性发射率与吸收率反射率与透射率发射率ε定义为实际物体辐射强度与同温度黑体反射率ρ定义为物体反射的辐射能量与入射辐辐射强度之比，反映物体发射辐射能力的强射能量之比透射率τ定义为穿过物体的辐射能弱吸收率α定义为物体吸收的辐射能量与入量与入射辐射能量之比根据能量守恒，对任射辐射能量之比，反映物体吸收辐射能力的强何物体都有α+ρ+τ=1弱两者都是无量纲参数，取值范围为0-1•镜面反射反射角等于入射角•总发射率/吸收率对所有波长积分的平均•漫反射各方向均匀反射值•半透明介质部分辐射能穿透•单色发射率/吸收率特定波长下的值•不透明介质τ=0，α+ρ=1•方向发射率/吸收率特定方向上的值灰体概念灰体是辐射计算中的理想化模型，假设物体的辐射特性与波长无关，即单色发射率等于总发射率虽然实际物体的发射率通常随波长变化，但在工程计算中，特定温度和波长范围内近似为灰体可以简化分析•选择性辐射体发射率随波长变化显著•灰体近似ελ,T≈εT•应用限制窄波段或高精度要求时不适用基尔霍夫定律定律表述在热力学平衡状态下，物体在特定波长和特定方向上的发射率等于其在同一波长和同一方向上的吸收率，即ελ,θ,φ=αλ,θ,φ对于灰体，可以简化为ε=α物理意义基尔霍夫定律反映了热辐射过程中发射与吸收的平衡关系一个物体在某波长上发射能力强，则在该波长上的吸收能力也强这一定律是热辐射理论的基础，解释了为什么良好的辐射体也是良好的吸收体应用限制基尔霍夫定律严格适用于热平衡状态，实际工程中很少达到完全平衡非平衡状态下，发射率与吸收率可能不完全相等，但对于大多数工程问题，这一近似仍然有效对于荧光、磷光等非热辐射现象，基尔霍夫定律不适用4工程应用基尔霍夫定律指导辐射材料的选择与设计例如，太阳能集热器表面需高吸收率对可见光和低发射率对红外线；而散热器表面则需高发射率以增强辐射散热选择性涂层的设计正是基于这一原理，通过调控不同波长范围的发射率和吸收率实现特定功能辐射换热网络辐射形状因子表征辐射能量空间分布特性辐射阻力2反映辐射换热的阻碍作用网络分析方法简化复杂辐射系统计算辐射形状因子Fij定义为从表面i发出的辐射能量中直接到达表面j的比例，它只与两个表面的几何位置和形状有关，与温度和表面性质无关形状因子满足互易关系AiFij=AjFji和总和关系∑Fij=1，可通过积分、图表、代数关系或电脑程序确定常见构型如平行平板、垂直平板、同心球等有解析解辐射阻力概念类似于热阻，用于简化辐射换热计算在灰体网络分析中，表面间的辐射换热可表示为q=Eb1-Eb2/R，其中R为辐射阻力对于封闭空间中n个表面的系统，可以建立辐射网络模型，包括表面辐射阻力1-εi/εiAi和空间辐射阻力1/AiFij这种方法可以将复杂的多表面辐射问题转化为类似电路的网络分析，大大简化计算气体辐射气体辐射特性辐射吸收与发射气体辐射计算与固体表面不同，气体辐射是体积现气体吸收辐射是分子能级跃迁过程，不气体辐射计算通常基于平均吸收系数或象，辐射能在气体整个体积内产生和吸同气体分子结构决定了其特征吸收带总发射率方法对于均匀气体层，辐射收大多数双原子气体O₂、N₂等在CO₂在

2.7μm、

4.3μm和15μm附近有强热流可表示为q=εgσTg⁴-Tw⁴，其中εg常温下几乎不参与辐射，而多原子气体吸收带，H₂O在

1.4μm、

1.9μm、

2.7μm是气体发射率，取决于气体成分、温CO₂、H₂O、CH₄等则表现出强烈的和

6.3μm附近有强吸收带度、压力和特征长度辐射特性根据基尔霍夫定律，气体在能吸收辐射工程计算中常用发射率图表，如Hottel图气体辐射具有强烈的选择性，只在特定的波长上也能发射辐射高温燃烧产物表，给出不同温度、压力和特征长度下波长范围吸收带有效，而非连续光谱如火焰的辐射主要来源于CO₂、H₂O CO₂和H₂O的发射率对于混合气体，气体辐射强度与压力、温度和辐射路径以及固体颗粒如烟尘、炭黑的贡献气需考虑重叠效应修正数值计算可采用长度有关，通常用气体发射率εg表征气体辐射强度随温度升高而迅速增加区域法、蒙特卡洛法或离散坐标法等高体辐射能力级方法，提高精度辐射屏的作用辐射屏原理辐射屏是放置在辐射换热表面之间的薄板，用于减少辐射热传递辐射屏通过阻断直接辐射路径，迫使热量经过多次反射和再辐射，增加热阻，降低热流辐射屏的效果取决于其发射率、反射率以及几何布置多层辐射屏多层辐射屏由多个低发射率薄板平行排列形成，每层之间留有间隙理想情况下，N层辐射屏可将辐射热流减少到无屏时的1/N+1实际效果受到支撑结构热桥、层间气体导热和边缘效应的影响多层辐射屏最常用于真空环境，以消除气体导热应用实例辐射屏技术广泛应用于航天器热控制、低温设备保温和高温设备隔热航天器上的多层隔热材料MLI是辐射屏的典型应用，由多层镀铝聚酯薄膜组成，可在太空真空环境中提供极佳的隔热性能家用保温杯的真空夹层中镀银内壁也是利用辐射屏原理减少热损失辐射传热的工程应用工业炉与锅炉太阳能利用高温工业炉和锅炉中，辐射是主要传太阳能利用系统基于辐射传热原理热方式，占总传热量的60-80%燃烧平板集热器采用高吸收率、低发射率产物CO₂、H₂O、烟尘向炉壁、受的选择性涂层，最大限度吸收太阳辐热面和负荷辐射热量合理设计炉膛射同时减少热损失聚光太阳能系统几何形状、火焰位置和受热面布置可使用抛物面反射镜或菲涅尔透镜聚焦提高热效率耐火材料选择需同时考太阳辐射，可达到数百至上千摄氏度虑其隔热性能和辐射特性现代工业的高温，用于发电或工业加热太阳炉设计广泛采用计算机辐射传热模拟能光伏系统也需考虑辐射特性，优化技术，优化温度分布和热效率电池板温度管理，避免高温导致效率下降航天器热控制太空环境中，辐射是唯一的热量传递方式航天器热控制系统必须平衡吸收的太阳辐射、地球反照和自身设备产生的热量，同时通过辐射向深空散热多层隔热材料MLI用于隔绝不需要的辐射热流；散热器表面采用高发射率涂层增强热量排出；光学太阳能反射器OSR和热控制涂层用于调节吸收与发射平衡；可变导热装置和热开关提供主动热控能力第五章传热过程与设备传热设备设计原则复合传热过程遵循高效传热、低能耗、结构紧凑、安实际工程中导热、对流和辐射共存的传全可靠和经济合理的原则需在传热效热过程，需综合分析三种传热机制的相率与流动阻力、结构强度与换热面积等互作用典型例如建筑外墙传热、换热方面进行综合优化随着计算机辅助设器内传热等，复合传热的数学描述和求计技术发展，传热设备设计日趋精确和解比单一传热方式更为复杂高效新型传热技术传热效率提高方法微通道传热、纳米流体传热、相变材料通过增大温差、扩大换热面积、提高传和热管技术等新兴领域不断突破传统传热系数和优化流动组织来提高传热效热限制，为工业节能和设备小型化提供率常用强化传热技术包括扩展表面、了新途径结合多物理场耦合和跨尺度表面处理、流动扰动和相变传热等，这传热理论，这些技术正改变传统传热工些技术在现代工业设备中得到广泛应程的面貌用复合传热分析多种传热方式共存实际工程中，导热、对流和辐射通常同时存在，相互影响如建筑外墙既有墙体内的导热，又有内外表面的对流和辐射；高温设备表面向环境散热同时包含对流和辐射；多孔介质中的传热涉及固体骨架导热、孔隙内气体导热和孔壁间辐射复合传热的分析需要综合考虑各种传热方式的贡献和耦合效应总传热系数复合传热问题通常引入总传热系数K简化计算，定义为单位面积、单位总温差下的传热热流密度以两流体间隔壁传热为例，总传热系数K=1/[1/α₁+δ/λ+1/α₂]，其中α₁、α₂为两侧对流传热系数，δ/λ为壁体导热热阻当辐射显著时，可用辐射换热系数αr并入对流系数，或建立更复杂的计算模型传热过程分析方法复合传热问题可采用热阻网络法、数值模拟法或实验研究方法热阻网络法将各传热环节视为串联或并联热阻，适用于稳态问题；数值模拟法通过离散化控制方程求解复杂几何和边界条件下的传热问题，可处理非稳态和多物理场耦合问题；实验研究通过测量关键位置温度和热流，结合相似理论分析传热规律，为理论和数值模型提供验证热交换器类型管壳式换热器由管束和壳体组成，一种流体在管内流动，另一种在壳侧流动根据管束布置和流动组织可分为单壳程单管程、多壳程多管程等类型优点是结构成熟、可承受高压高温，适用于大型工业系统；缺点是结构复杂，单位体积换热面积较低广泛应用于电厂、石化和冶金等行业板式换热器由一系列带有流道的金属板叠压而成，两种流体在相邻板片间交替流动优点是紧凑轻便、传热系数高、易于清洗和扩容；缺点是承压能力和耐温性较差，密封要求高常用于食品、制药、暖通空调等领域的液-液换热近年来出现的全焊接板式换热器和板壳式换热器进一步拓展了应用范围热管与蓄热器热管是高效传热元件，利用工质蒸发和冷凝实现热量传递，等效导热系数可达普通金属数千倍蓄热器则通过固体或相变材料存储热量，实现热量的时间转移这类特殊换热设备在电子冷却、太阳能利用、余热回收和间歇式热量调控中具有独特优势，能实现常规换热器难以达到的性能热交换器设计计算计算方法适用条件基本公式优缺点对数平均温差法已知进出口温度Q=KA·LMTD·F直观、适用范围广热效率-传热单元数法已知入口温度和热负荷Q=ε·CminTh,i-Tc,i便于迭代计算和性能分析有效度-传热单元数法已知进出口温度和热负荷ε=fNTU,Cr便于多参数优化设计热交换器设计首先需确定换热负荷、流体工况和允许压降对数平均温差法是基础计算方法，热流Q=KA·LMTD·F，其中K为总传热系数，A为换热面积，LMTD为对数平均温差，F为校正因子考虑非纯逆流影响对于逆流换热器，LMTD=ΔT₁-ΔT₂/lnΔT₁/ΔT₂，其中ΔT₁、ΔT₂为两端的温差ε-NTU法适用于仅知道入口温度的情况，其中ε为热效率，定义为实际换热量与理论最大换热量之比；NTU为传热单元数，等于KA/Cmin，反映换热器的热容量不同流动布置有不同的ε-NTU关系式热交换器的压降计算也是设计的重要环节，需平衡传热性能和流动阻力现代设计通常采用计算机辅助方法，结合传热与流动的耦合分析，优化结构参数传热强化技术主动强化方法被动强化方法需要外部能量输入的强化技术无需额外能量输入的强化技术•机械振动和脉动•扩展表面和翅片•电场和磁场辅助•粗糙和结构化表面•声场和超声强化•涡流发生器和流道设计•旋转和离心力场•添加剂和纳米流体微纳尺度强化复合强化技术利用微纳结构特性的先进技术两种或多种强化方法组合应用•微沟槽和微针阵列•多孔结构与纳米涂层•纳米流体和纳米涂层•微通道与电场辅助•超疏水/超亲水表面•振动与表面改性•碳纳米管和石墨烯材料•相变材料与扩展表面传热过程优化30%40%典型工业换热器能效提升潜力传热强化可能导致的压降增加通过综合优化设计可实现需权衡热效率与流动阻力年2-5高效传热设备的投资回收期取决于运行工况和能源价格传热过程优化需要综合考虑传热效率、流动阻力、材料成本、制造难度和运行维护等多方面因素传热与流动的权衡是核心问题，强化传热通常会增加流动阻力，导致更高的泵功或风机功耗熵产生最小化方法提供了一种评价传热系统综合性能的理论框架，通过分析不同不可逆过程的熵产生，寻找最佳工作点经济性分析是实际工程中的决策依据，需考虑设备初投资、运行费用和维护成本的综合影响生命周期成本LCC分析方法将设备从设计、制造到运行、报废的全过程纳入考量，更全面地评估不同设计方案的经济性随着能源价格上涨和环保要求提高，高效传热设备的经济优势日益凸显，但仍需根据具体应用场景和运行条件进行详细的技术经济分析课程总结基础理论掌握三种传热方式的物理机制与计算方法工程应用能力解决实际传热问题的分析与设计能力创新思维培养跟踪新技术发展与优化传热系统的意识本课程系统讲解了热量传递的基本原理和应用方法，涵盖导热、对流和辐射三种基本传热方式通过学习，我们理解了温度梯度驱动热量传递的本质，掌握了各种传热问题的分析技巧和计算方法，建立了从微观机理到宏观应用的完整知识体系在工程应用方面，我们学习了换热器设计、传热系统优化和传热强化技术，培养了解决实际传热问题的能力未来传热学的发展趋势包括多尺度传热理论、新型传热介质、智能传热控制系统等领域随着计算能力的提升和实验技术的进步，传热学将在能源利用、材料加工、生物医学等领域发挥更重要的作用，为人类社会的可持续发展提供科学支撑。