传热学

近年来，随着我国经济的高速发展，对能源的需求迅猛增加。为实现“碳达峰”和“碳中和”目标，很多方面都对能源的高效利用提出了更高的要求。其中，热能的高效转化与传递是提高能源利用效率的一个重要环节，而传热学则提供了学习和研究提高传热效率的基础理论。
传热学是很多工科专业的一门基础理论课，为后续的多门专业课程提供理论支持。它的特点是理论性很强，对数学要求比较高。当初学者翻阅教材的时候，第一印象就是书中的微分方程太多了，因而可能会产生一种畏惧心理。因此，在学习和讲授这门课程的时候，要以方法论的学习为主，即把主要的精力用于首先清楚地理解传热的物理过程，然后在学习和掌握了最基本的传热理论（如傅里叶定律）、不同传热过程的能量守恒的基本表达式等基本概念后，进而去培养一种基于能量守恒的分析来建立传热微分方程的方法，而不要太过于关注复杂的方程和公式本身，尤其不要花时间和精力去死记复杂的公式，无论是解析解、微分方程还是试验关联式。在本书的编写过程中，编者试图帮助学生逐步掌握这样的一种方法，进而提升学生发现问题、分析问题、解决问题的能力。
传热学是一门与工业应用有着广泛联系的实用性很强的课程。在传统的大多数工业领域都涉及大量的各种形式的能量利用与转换过程中与热相关的问题，在高技术领域和新兴的交叉学科领域，也存在很多与传热有关的问题需要解决。因此，在本书的编写过程中，编者注意结合工程应用，阐述传热学理论的应用场景。在一些例题和习题中介绍了一些有实际应用背景的传热过程的计算，一方面是为了增加学生对传热学更多的兴趣，训练求解传热问题的基本计算技巧；另一方面，也可以开拓学生思路，有利于培养学生精益求精的工匠精神以及理论联系实际、勇于集成创新、学以致用的工程师精神，激发学生科技报国的家国情怀和使命担当。例题给读者的启示在于如何去分析传热过程和进一步加强对基础理论的理解及熟悉基本理论的应用，帮助读者培养有效的方法论，而不仅仅在于讲授解题技巧或培养套用公式的简单计算能力。
本书按照导热、对流和辐射三种换热方式进行内容的编排。各部分内容基本是相互独立的，但以“能量守恒”贯穿其中。对于不同的换热方式，能量守恒的方式和特点不同，因此对通过不同内容的学习要深刻掌握能量守恒的分析方法。例如，在稳态导热部分的论述中，首先通过分析研究对象的能量守恒导出通用微分方程，然后分别讨论了在不同边界条件下和导热系数为常数、变数以及有、无内热源情况下的大平板的求解方法，详尽地介绍了不同形式的微分方程的求解方法。对非稳态导热，介绍了一般的非稳态导热的分离变量法、Fo>0.2后的计算方法和集总分析法，舍去了半无限大物体和周期性非稳态导热。同时，对部分内容和专题，比较详细地介绍了一些前沿性的研究情况，以提高读者的兴趣和对研究前沿的了解，不必过于担心对这些内容不能深入地理解。除主要参考文献统一列于书末外，部分章节内容中涉及的参考文献或前沿性研究论文则以脚注的形式给出，可供读者进一步详细查阅参考。
本书所提供的习题数量不多，但覆盖了传热学基本原理的各个方面。通过习题的练习能够有效帮助读者进一步熟练掌握基本计算技巧和对传热学基本概念的融会贯通。完成一定数量的习题是必要的，但大量地重复同一类型的题目或直接套用公式进行计算对于加深对基本原理的深刻理解并没有多少帮助。因此，建议读者有选择地完成不同类型和内容的部分习题。
本书针对56～64学时的教学需要而编写，根据需要选择有关章节内容也可满足32～48学时的教学需要。本书在内容的选取上并没有刻意限定或偏向某个专业，而是尽可能完整地介绍传热学的基础理论。因此，本书适用于建筑环境与能源应用工程、能源与动力工程及其他相关专业的本科教学。
本书由东华大学苏亚欣主编，负责制定编写大纲和全书定稿，并编写第1、2、3、4、8、9章及第6.4节，杨洪海编写第5、6、7、10章，王会编写第11章并参与编写第1.1节和第6.4节。
本书的编写得到了东华大学校级本科重点教材建设项目（XJJC2021-10）的资助，也是上海市一流本科课程（SYK2022-10）、上海市重点本科课程（SKC-11）、东华大学一流本科课程（XJKCA20-20）的建设成果。
在本书的编写过程中，编者参考了很多专家学者的相关著作，在此深表感谢！限于编者水平，书中难免有疏漏之处，敬请广大读者批评指正！

编者

本书按照导热、对流和辐射三种换热方式进行内容的编排。各部分内容基本是相互独立的，但以“能量守恒”贯穿其中，使读者通过对不同内容的学习深入掌握能量守恒的分析方法。全书分为11章，第1章绪论简要介绍传热学与其所属学科的关系、传热学与现代工业间的广泛联系以及三种基本传热方式的特点和简单计算；第2～4章详细介绍了稳态导热和非稳态导热的解析解和数值解的基本方法;第5、6章介绍了对流换热的基本原理和工程计算方法；第7章介绍了凝结和沸腾换热的基本原理和工程计算方法；第8、9章介绍了热辐射的基本原理和辐射换热的计算方法；第10章介绍了传热过程和换热器设计的计算方法；第11章介绍了泡沫金属强化传热的相关内容。书中例题和习题的选择注重知识性、趣味性以及工程实用性的结合，同时部分内容也涉及传热学的研究前沿。
本书针对56～64学时的教学需要而编写，根据需要选择有关章节内容也可满足32～48学时的教学需要。本书适用于建筑环境与能源应用工程、能源与动力工程及其他相关专业的本科教学，也可供相关专业的工程技术人员参考。

前言
第1章绪论1
1.1传热学概述1
1.2传热的三种基本方式4
1.2.1热传导4
1.2.2热对流6
1.2.3热辐射9
1.3传热过程12
习题14
第2章稳态导热16
2.1导热的基本概念16
2.1.1温度场与温度梯度16
2.1.2热流密度矢量和傅里叶定律17
2.1.3导热机理和导热系数18
2.2导热微分方程的建立20
2.2.1导热微分方程20
2.2.2导热过程的单值性条件22
2.2.3导热微分方程式的求解方法24
2.2.4柱坐标和球坐标下的导热微分方程24
2.3一维平壁稳态导热的解析解24
2.3.1第一类边界条件25
2.3.2第三类边界条件29
2.3.3接触热阻和复合平壁的导热31
2.4一维圆柱和圆球的稳态导热34
2.4.1第一类边界条件下圆筒壁的导热34
2.4.2第三类边界条件下通过圆筒壁的导热36
2.4.3通过球壁的稳态导热 40
2.5肋片的导热43
2.5.1等截面直肋的导热微分方程44
2.5.2肋效率48
2.5.3变截面肋片的导热49
2.5.4肋片能否增加传热量的条件51
2.6二维稳态导热问题52
2.6.1二维稳态导热的解析解——分离变量法52
2.6.2形状因子法54
习题55
第3章非稳态导热58
3.1一维非稳态导热的解析解59
3.1.1一维非稳态导热的分离变量法59
3.1.2非稳态导热的正规热状况和温度分布的诺谟图62
3.1.3特殊多维非稳态导热的简易求解方法71
3.2非稳态导热的集总参数法72
3.2.1表面传热系数对非稳态导热物体内部温度分布的影响特点72
3.2.2集总参数法73
习题76
第4章导热问题的数值解78
4.1稳态导热问题的数值解79
4.1.1求解域的离散化79
4.1.2节点温度差分方程的建立 79
4.2代数方程组的求解83
4.2.1迭代法83
4.2.2超松弛和欠松弛84
4.3非稳态导热问题的数值解法 85
4.3.1求解域的离散 85
4.3.2节点温度差分方程的建立85
习题88
第5章对流换热的基本原理90
5.1概述90
5.1.1对流换热的基本特点90
5.1.2对流换热的研究方法93
5.1.3对流换热微分方程式93
5.2对流换热的微分方程组94
5.2.1微分方程组94
5.2.2单值性条件96
5.3边界层内的对流换热96
5.3.1边界层的概念96
5.3.2边界层内对流换热微分方程组的简化99
5.3.3外掠平板层流换热的解析解101
5.4相似原理及应用103
5.4.1相似的基本概念103
5.4.2相似原理106
5.4.3相似原理指导下的试验研究方法111
习题113
第6章单相对流换热的工程计算115
6.1管内强迫对流换热的特点和计算115
6.1.1管内强迫对流换热的特点115
6.1.2管内强迫对流换热计算117
6.2管外强迫对流换热的特点和计算122
6.2.1流体横掠单管对流换热122
6.2.2横掠管束对流换热124
6.3自然对流换热的特点和计算127
6.3.1大空间自然对流换热127
6.3.2有限空间自然对流换热132
6.4对流换热的强化135
6.4.1从流动的起因着手——有源技术135
6.4.2从流动的状态着手——无源技术136
6.4.3从改变流体的物性着手138
6.4.4改变换热表面的几何形状139
习题140
第7章凝结和沸腾换热143
7.1凝结换热 143
7.1.1膜状凝结换热144
7.1.2膜状凝结的影响因素150
7.2沸腾换热151
7.2.1大容器沸腾换热151
7.2.2管内沸腾简介157
7.2.3沸腾传热的影响因素158
7.3相变传热的强化159
7.3.1凝结传热的强化159
7.3.2沸腾传热的强化163
7.4热管技术165
7.4.1热管的工作原理165
7.4.2热管壳体材料与工质之间的相容性及寿命167
7.4.3热管的应用168
习题171
第8章辐射换热的基本定律173
8.1热辐射的基本概念173
8.1.1吸收、反射与透射 174
8.1.2灰体与黑体 177
8.1.3辐射强度177
8.1.4辐射力178
8.2黑体辐射的基本定律178
8.2.1普朗克定律179
8.2.2斯特藩-玻尔兹曼定律 180
8.2.3朗伯定律182
8.3实际物体的发射特性与基尔霍夫定律 183
8.3.1实际物体的发射特性183
8.3.2基尔霍夫定律187
习题189
第9章辐射换热的计算191
9.1辐射换热的角系数191
9.1.1角系数的定义191
9.1.2角系数的性质195
9.1.3角系数的计算方法196
9.2黑体表面间的辐射换热计算199
9.3灰体表面间的辐射换热计算200
9.3.1有效辐射201
9.3.2两个漫灰表面构成的封闭空腔中的辐射换热202
9.3.3多个漫灰表面构成的封闭空腔中的辐射换热 203
9.3.4重辐射面206
9.4辐射换热的强化与削弱207
9.4.1改变表面辐射热阻——表面涂层208
9.4.2改变空间辐射热阻——遮热板209
9.5气体辐射211
9.5.1气体辐射的选择性吸收和发射211
9.5.2气体与封闭表面的辐射换热217
9.6太阳辐射简介218
9.6.1太阳辐射的基本概念218
9.6.2我国太阳能的分布221
9.6.3太阳能的利用方式223
习题224
第10章传热过程和换热器228
10.1传热过程的分析和计算228
10.1.1基本传热过程228
10.1.2有复合换热时的传热232
10.1.3传热的增强和削弱236
10.2换热器的基本形式240
10.2.1换热器的分类240
10.2.2间壁式换热器的分类241
10.2.3对数平均温差243
10.3换热器的传热计算249
10.3.1平均温差法（LMTD 法） 249
10.3.2效能-传热单元数法（ε-NTU
法）252
10.3.3换热器的污垢热阻255
10.4换热器性能评价简述257
习题258
第11章泡沫金属强化传热260
11.1引言260
11.1.1换热器在国民生产中的应用260
11.1.2常见换热器的形式260
11.1.3强化传热的手段263
11.2泡沫金属的概念和结构特点263
11.3泡沫金属的加工方法和应用264
11.4泡沫金属的传热特性及其强化传热的原因266
11.4.1泡沫金属孔胞结构模型266
11.4.2泡沫金属管与光管传热性能的对比267
11.4.3泡沫金属强化传热的原因268
11.5泡沫金属在储能领域的应用271
11.5.1冰蓄冷领域271
11.5.2动力电池热管理领域271
11.5.3太阳能储热领域272
附录274
习题答案284
参考文献289

本书按照导热、对流和辐射三种换热方式进行内容的编排。各部分内容基本是相互独立的，但以“能量守恒”贯穿其中，使读者通过对不同内容的学习深入掌握能量守恒的分析方法。全书分为11章，第1章绪论简要介绍传热学与其所属学科的关系、传热学与现代工业间的广泛联系以及三种基本传热方式的特点和简单计算；第2～4章详细介绍了稳态导热和非稳态导热的解析解和数值解的基本方法;第5、6章介绍了对流换热的基本原理和工程计算方法；第7章介绍了凝结和沸腾换热的基本原理和工程计算方法；第8、9章介绍了热辐射的基本原理和辐射换热的计算方法；第10章介绍了传热过程和换热器设计的计算方法；第11章介绍了泡沫金属强化传热的相关内容。书中例题和习题的选择注重知识性、趣味性以及工程实用性的结合，同时部分内容也涉及传热学的研究前沿。
本书针对56～64学时的教学需要而编写，根据需要选择有关章节内容也可满足32～48学时的教学需要。本书适用于建筑环境与能源应用工程、能源与动力工程及其他相关专业的本科教学，也可供相关专业的工程技术人员参考。