1-9,1-20,1-27
作业
1-1 热量传递的三种基本方式
热量传递有三种基本方式,导热、对流和热辐射。
1·导热
物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由
电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递过程称为 导热 (或称热
传导 )。
导热机理：
气体,导热是气体分子不规则热运动时相互碰撞的结果。
导电固体中,有相当多的自由电子，自由电子的运动在导电
固体的导热中起着主要作用。
第一章 绪论
在非导电固体,导热是通过晶格结构的振动，即原子、分子
在其平衡位置附近的振动来实现的。
液体,两种观点。 一,认为定性上类似于气体，只是情况更
复杂，因为液体分子间的距离比较近，分子间的作用力对碰撞过
程的影响远比气体大。二、认为液体的导热机理类似于非导电固
体，主要靠弹性波的作用。
导热现象的规律已经总结为傅里叶定律。图 1-1-1所示。
dx
dtA???? （ 1-1-1）
图 1-1-1通过平板的一维导热
单位时间内通过某一给定面积的热量称为 热流量,记为,
单位为 W。单位时间内通过单位面积的热流量称为 热流密度
(或称面积热流量 )，记为,单位为
?
q 2m/W
一维导热物体热流密度表达式为：
dx
dtq ??? (1-1-2)
导热系数 是表征材料导热性能优劣的参数，材料不同,导热
系数值不同，即使是同 一 种材料，导热系数值还与温度等因素
有关 。 这里仅指出,一般地说,金属材料 的导热系数最高，良导
电体，如银和铜，也是 良导热体 ； 液体次之 ； 气体最小 。
2·对流
对流定义, 流体的宏观运动造成流体各部分之间发生相对位
移，冷热流体相互掺混所引起的热量传递过程。
特点,对流仅能发生在流体中,由于流体中的分子不规则的
热运动,对流必然伴随有导热现象 。
对流换热, 流体流过一个物体表面时的热量传递过程。
分类, 就引起流动的原因可区分为 自然对流与强制对流 两大
类。
自然对流原因, 流体冷、热各部分的密度不同而引起的换热
现象。
强制对流, 流体的流动是由于其他压差作用所造成的。冷油
器、冷凝器等管内冷却水的流动都由水泵驱动，它们都属于
强制对流 。
另外，工程上还常遇到液体在热表面上沸腾及蒸气在冷表
面上凝结的对流换热问题，分别简称为沸腾换热及凝结换热，
它们是伴随有相变的对流换热。
对流换热的基本计算式是牛顿冷却公式：
)tt(hq fw ??
流体被冷却时 )tt(hq
wf ??
流体被加热时 (1-1-3)
(1-1-4)
如果把温差 (亦称温压 )记为,并约定永远取正值，则牛顿冷
却公式可表示为
t?
thq ??
tAhQ ??
(1-1-5)
(1-1-6)
表面传热系数的大小取决于多种因素 。表 1-1-1给出了几种
对流换热过程表面传热系数数值的大致范围。由表 1-1-1可见，
就介质前言，水的对流换热比空气强烈；就换热方式而言，有相
变的优于无相变的，强制对流高于自然对流。
表 1-1-1表面传热系数的数值范围
3·热辐射
定义, 物体通过电磁波来传递能量的方式称为 辐射 。物体会
因各种原因发出辐射能，其中因热的原因而发出辐射能的现象称
为 热辐射 。
辐射换热,物体发射辐射与吸收辐射的综合结果就造成了以
辐射方式进行的物体间的热量传递。当物体与周围环境处于热平
衡时，辐射换热量等于零，但这是动态平衡，辐射与吸收过程仍
在不停地进行。
特点,
1、导热、对流的进行需要有物质存在,热辐射可以在真空中传递,
而且实际上在真空中辐射能的传递最有效。
2、辐射换热不仅产生能量的转移，而且还伴随着能量
形式的转换，即发射时从热能转换为辐射能，而被吸收时又从辐
射能转换为热能。
物体的辐射能力与温度有关, 同一温度下不同物体的辐射与
吸收本领也大不一样 。
黑体,是指能吸收投入到其表面上的所有热辐射能的物体。
说明,黑体的吸收本领和辐射本领在同温度的物体中是最大的。
黑体在单位时间内发出的热辐射热量由斯忒藩 -玻耳兹曼定律：
4TA ???
(1-1-7)
实际物体辐射热流量的计算总可以采用斯式藩 -玻耳兹曼定
律的经验修正形式,
4TA ????
(1-1-8)
斯忒藩 -玻耳兹曼定律又称四次方定律，是辐射换热计算
的基础 。
说明,式 (1-1-7),(1-1-8)中的 是物体自身向外辐射的热
流量，而不是辐射换热量。要计算辐射换热量还必须考虑
投到物体上的辐射热量的吸收过程，即要算收支总帐。
?
最简单的辐射换热为两块非常接近的
互相平行黑体壁面间的辐射换热。右图所示。
另外一种简单的辐射换热为一物体包含在另
一个大空腔里面的情形，此时该物体与空腔
表面间的辐射换热量按下式计算,
)TT(A 424111 ????? (1-1-9)
在实际问题中，三种换热方
式是混杂出现的。例如，对于室
内取暖的暖气片、锅炉中的省煤
器及汽轮机装置或制冷装置中的
冷凝器 (图 1-1-2)来说，热量传递
过程中各个环节的换热方式如下,
图 1-1-2 省煤器、冷凝器示意图
分析一个复杂的实际热量传递过程的规则, 1、分
析该过程由哪些串联环节组成； 2、分析在同一环节中有哪些热
量传递方式起作用。例如，在上述例子中，为什么从烟气到管
子外壁的热量传递要同时考虑对流换热、辐射换热，而从蒸汽
或热水到外壁的热量传递只有对流换热。
对于冷、热流体通过一块大平壁
交换热量的传热过程，包括串联着的
三个环节,(1)从热流体到壁面高温侧
的热量传递； (2)从璧面高温侧到壁面
低温侧的热量传递，亦即穿过固体壁
的导热； (3)从壁面低温侧到冷流体的
热量传递。对于稳态过程，通过串联
着的每个环节的热流量应该是相同的。
设平壁表面积为 A，参照图 1-2-1的符
号，可以分别写出上述三个环节的热
流量表达式：
传热过程, 热量由壁面一侧的流体通过壁面传到另一侧流
体中去的过程。
1-2 传热过程和传热系数
图 1-2-1 传热过程分析
)tt(Ah 1w1f1 ??? (a)
)tt(A 2w1w ?????
(b)
)tt(Ah 2f2w2 ??? (c)
将式 (a),(b),(c)三式改写成温压的形式：
1
1w1f Ahtt
???
??
???
/Att 2w1w
2
2f2w Ahtt
???
(d) (e)
(f)
三式相加，消去中间温度，整理，得：
21
2f1f
h
1
h
1
)tt(A
?
?
?
?
?
?? (1-2-1)
也可以表示成
)tt(A 2f1f ???? (1-2-2)
式 中 称为传热系数，传热系数的大小取决于参与传热过程的
两种流体的种类以及过程本身性质 (如流速的大小、有无相变
等 )。如果需要计及流体与壁面间的辐射换热，则式 (1-2-1)中
的表面传热系数或可取为复合换热表面传热系数，它包括由辐
射换热折算出来的表面传热系数在内，其计算方法将在 8-4节
中讨论。表 1-2-1列出了通常情况下传热系数的概略值。
?
表 1-2-1 传热系数的大致数值范围
过 程
从气体到气体（常压）
从气体到高压水蒸气或水
从油到水
从凝结有机物蒸汽到水
从水到水
从凝结水蒸气到水
10~30
10~100
100~600
500~1000
1000~2000
2000~6000
式 (1-2-2)称为传热方程式，是换热器热工计算的基本公式。
由式（ 1-2-1）和（ 1-2-2）可得到传热系数 的表达式：?
21 h
1
h
1
1
??
?
?
?
?
(1-2-3)
21 h
1
h
11 ???
?
?
?
21 Ah
1
AAh
1
A
1 ???
?
?
?
(1-2-4)
(1-2-5)
将式 (1-2-2)写成 的形式并与电学中的欧姆定律
相对比,具有类似于电阻的作用，把
称为传热过程热阻。
)A/(1
t
?
???
R/UI ? )A/(1 ?)A/(1 ?
传热过程中的, 及 分别是各构成环节
的热阻。
)Ah/(1 1 )A/( ?? )Ah/(1 2
图 1-2-2是传热过程热阻分析图。串联热阻叠加原则与电学
中串联电阻叠加原则相对应。
图 1-2-2传热过程的热阻分析
作业
1-1 热量传递的三种基本方式
热量传递有三种基本方式,导热、对流和热辐射。
1·导热
物体各部分之间不发生相对位移时，依靠分子、原子及自由
电子等微观粒子的热运动而产生的热量传递过程称为 导热 (或称热
传导 )。
导热机理：
气体,导热是气体分子不规则热运动时相互碰撞的结果。
导电固体中,有相当多的自由电子，自由电子的运动在导电
固体的导热中起着主要作用。
第一章 绪论
在非导电固体,导热是通过晶格结构的振动，即原子、分子
在其平衡位置附近的振动来实现的。
液体,两种观点。 一,认为定性上类似于气体，只是情况更
复杂，因为液体分子间的距离比较近，分子间的作用力对碰撞过
程的影响远比气体大。二、认为液体的导热机理类似于非导电固
体，主要靠弹性波的作用。
导热现象的规律已经总结为傅里叶定律。图 1-1-1所示。
dx
dtA???? （ 1-1-1）
图 1-1-1通过平板的一维导热
单位时间内通过某一给定面积的热量称为 热流量,记为,
单位为 W。单位时间内通过单位面积的热流量称为 热流密度
(或称面积热流量 )，记为,单位为
?
q 2m/W
一维导热物体热流密度表达式为：
dx
dtq ??? (1-1-2)
导热系数 是表征材料导热性能优劣的参数，材料不同,导热
系数值不同，即使是同 一 种材料，导热系数值还与温度等因素
有关 。 这里仅指出,一般地说,金属材料 的导热系数最高，良导
电体，如银和铜，也是 良导热体 ； 液体次之 ； 气体最小 。
2·对流
对流定义, 流体的宏观运动造成流体各部分之间发生相对位
移，冷热流体相互掺混所引起的热量传递过程。
特点,对流仅能发生在流体中,由于流体中的分子不规则的
热运动,对流必然伴随有导热现象 。
对流换热, 流体流过一个物体表面时的热量传递过程。
分类, 就引起流动的原因可区分为 自然对流与强制对流 两大
类。
自然对流原因, 流体冷、热各部分的密度不同而引起的换热
现象。
强制对流, 流体的流动是由于其他压差作用所造成的。冷油
器、冷凝器等管内冷却水的流动都由水泵驱动，它们都属于
强制对流 。
另外，工程上还常遇到液体在热表面上沸腾及蒸气在冷表
面上凝结的对流换热问题，分别简称为沸腾换热及凝结换热，
它们是伴随有相变的对流换热。
对流换热的基本计算式是牛顿冷却公式：
)tt(hq fw ??
流体被冷却时 )tt(hq
wf ??
流体被加热时 (1-1-3)
(1-1-4)
如果把温差 (亦称温压 )记为,并约定永远取正值，则牛顿冷
却公式可表示为
t?
thq ??
tAhQ ??
(1-1-5)
(1-1-6)
表面传热系数的大小取决于多种因素 。表 1-1-1给出了几种
对流换热过程表面传热系数数值的大致范围。由表 1-1-1可见，
就介质前言，水的对流换热比空气强烈；就换热方式而言，有相
变的优于无相变的，强制对流高于自然对流。
表 1-1-1表面传热系数的数值范围
3·热辐射
定义, 物体通过电磁波来传递能量的方式称为 辐射 。物体会
因各种原因发出辐射能，其中因热的原因而发出辐射能的现象称
为 热辐射 。
辐射换热,物体发射辐射与吸收辐射的综合结果就造成了以
辐射方式进行的物体间的热量传递。当物体与周围环境处于热平
衡时，辐射换热量等于零，但这是动态平衡，辐射与吸收过程仍
在不停地进行。
特点,
1、导热、对流的进行需要有物质存在,热辐射可以在真空中传递,
而且实际上在真空中辐射能的传递最有效。
2、辐射换热不仅产生能量的转移，而且还伴随着能量
形式的转换，即发射时从热能转换为辐射能，而被吸收时又从辐
射能转换为热能。
物体的辐射能力与温度有关, 同一温度下不同物体的辐射与
吸收本领也大不一样 。
黑体,是指能吸收投入到其表面上的所有热辐射能的物体。
说明,黑体的吸收本领和辐射本领在同温度的物体中是最大的。
黑体在单位时间内发出的热辐射热量由斯忒藩 -玻耳兹曼定律：
4TA ???
(1-1-7)
实际物体辐射热流量的计算总可以采用斯式藩 -玻耳兹曼定
律的经验修正形式,
4TA ????
(1-1-8)
斯忒藩 -玻耳兹曼定律又称四次方定律，是辐射换热计算
的基础 。
说明,式 (1-1-7),(1-1-8)中的 是物体自身向外辐射的热
流量，而不是辐射换热量。要计算辐射换热量还必须考虑
投到物体上的辐射热量的吸收过程，即要算收支总帐。
?
最简单的辐射换热为两块非常接近的
互相平行黑体壁面间的辐射换热。右图所示。
另外一种简单的辐射换热为一物体包含在另
一个大空腔里面的情形，此时该物体与空腔
表面间的辐射换热量按下式计算,
)TT(A 424111 ????? (1-1-9)
在实际问题中，三种换热方
式是混杂出现的。例如，对于室
内取暖的暖气片、锅炉中的省煤
器及汽轮机装置或制冷装置中的
冷凝器 (图 1-1-2)来说，热量传递
过程中各个环节的换热方式如下,
图 1-1-2 省煤器、冷凝器示意图
分析一个复杂的实际热量传递过程的规则, 1、分
析该过程由哪些串联环节组成； 2、分析在同一环节中有哪些热
量传递方式起作用。例如，在上述例子中，为什么从烟气到管
子外壁的热量传递要同时考虑对流换热、辐射换热，而从蒸汽
或热水到外壁的热量传递只有对流换热。
对于冷、热流体通过一块大平壁
交换热量的传热过程，包括串联着的
三个环节,(1)从热流体到壁面高温侧
的热量传递； (2)从璧面高温侧到壁面
低温侧的热量传递，亦即穿过固体壁
的导热； (3)从壁面低温侧到冷流体的
热量传递。对于稳态过程，通过串联
着的每个环节的热流量应该是相同的。
设平壁表面积为 A，参照图 1-2-1的符
号，可以分别写出上述三个环节的热
流量表达式：
传热过程, 热量由壁面一侧的流体通过壁面传到另一侧流
体中去的过程。
1-2 传热过程和传热系数
图 1-2-1 传热过程分析
)tt(Ah 1w1f1 ??? (a)
)tt(A 2w1w ?????
(b)
)tt(Ah 2f2w2 ??? (c)
将式 (a),(b),(c)三式改写成温压的形式：
1
1w1f Ahtt
???
??
???
/Att 2w1w
2
2f2w Ahtt
???
(d) (e)
(f)
三式相加，消去中间温度，整理，得：
21
2f1f
h
1
h
1
)tt(A
?
?
?
?
?
?? (1-2-1)
也可以表示成
)tt(A 2f1f ???? (1-2-2)
式 中 称为传热系数，传热系数的大小取决于参与传热过程的
两种流体的种类以及过程本身性质 (如流速的大小、有无相变
等 )。如果需要计及流体与壁面间的辐射换热，则式 (1-2-1)中
的表面传热系数或可取为复合换热表面传热系数，它包括由辐
射换热折算出来的表面传热系数在内，其计算方法将在 8-4节
中讨论。表 1-2-1列出了通常情况下传热系数的概略值。
?
表 1-2-1 传热系数的大致数值范围
过 程
从气体到气体（常压）
从气体到高压水蒸气或水
从油到水
从凝结有机物蒸汽到水
从水到水
从凝结水蒸气到水
10~30
10~100
100~600
500~1000
1000~2000
2000~6000
式 (1-2-2)称为传热方程式，是换热器热工计算的基本公式。
由式（ 1-2-1）和（ 1-2-2）可得到传热系数 的表达式：?
21 h
1
h
1
1
??
?
?
?
?
(1-2-3)
21 h
1
h
11 ???
?
?
?
21 Ah
1
AAh
1
A
1 ???
?
?
?
(1-2-4)
(1-2-5)
将式 (1-2-2)写成 的形式并与电学中的欧姆定律
相对比,具有类似于电阻的作用，把
称为传热过程热阻。
)A/(1
t
?
???
R/UI ? )A/(1 ?)A/(1 ?
传热过程中的, 及 分别是各构成环节
的热阻。
)Ah/(1 1 )A/( ?? )Ah/(1 2
图 1-2-2是传热过程热阻分析图。串联热阻叠加原则与电学
中串联电阻叠加原则相对应。
图 1-2-2传热过程的热阻分析
