《工程传热传质学.上册》是为满足研究生培养需要而撰写的,《工程传热传质学.上册》共16章,分上?下两册?
上册为第1~7章?第1章为《工程传热传质学.上册》总纲性导论,第2~7章系统深入地 阐明传热基本方式的导热?辐射传热和对流传热, 包括对流分析的理论基 础?注重明确的物理概念,并且严格地由过程的物理模型建立起相应的数学 模型,着重启示工程应用?分析研究的基本观点和演习数理方程的解法?
下册为第8~16章?第8~15章主要介绍自然对流受迫对流换热,相变传热传质,多孔介质热?湿迁移,换热器的热计算,高速气流与稀薄气体的传热传质,微尺度传热传质?第16章对现代传热领域中一些专题进行介绍,着重考虑传热基本方式有机组合的分析原理?前后呼应,力求达到《工程传热传质学.上册》风格的统一?注意求实地介绍当前高新技术发展中的前沿性研究动态,以开阔视野?
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第1章导论
§1-1传热传质学的研究对象和方法
传热传质学是研究由于有温度差异所引起的能量传递过程?包括有“相变”时的相际传递和多组分物系因组分分布不均匀的浓度差异伴随发生物质迁移现象的一门科学?
差异就是矛盾,当物体内部或物系之间出现温度差异,或者温度不相同的物体彼此接触时,就有了相对比较“热”和“冷”的矛盾双方,总会发生热量从温度较高区传往温度较低区的传递过程,常称之为“传热”?所传递的热量,无法直接看到,但所产生的效应是可被观察和测定的?体积不变时的物体得到或传出热量,将引起“内能”的增减,反映为温度的升降,或者产生“相”和凝聚态的变化?自发的传热,永远使对立的冷?热双方各自向自己的反面转化:原先温度比较高的,因传走热量而逐渐被冷却;原先温度比较低的,则因得到热量而逐渐被加热?这样,随着相互之间温度差异的缩小,最终将建立起温度一致的“平衡”状态?如果想维持某部分的温度高于另一部分的温度,就必须从外界不断向温度高的那部分补充所传走的热量,并从温度低的那部分取走所传入的热量?
传热,当然包括热量传递同时,出现能量形式之间转化的更复杂的过程?例如,高速气流对固体表面的“气动加热”效应,电机电器的通电发热,电光源在白炽高温下的辐射热,化学反应总伴随着吸热或者放热等,所传递的热量就来源于机械能?电能?光能?化学能等其他形式的能量转化为内部分子随机“热运动”形式的热能?因此,广义的传热学可被看做是“能量传递学”?而研究热和其他形式能量之间相互转化的科学分支是“热力学”?这表明:传热过程必须遵守热力学第一定律和热力学第二定律这两个自然规律?热力学第一定律所阐明的,是运动不灭?能量守恒和可转化的自然法则,任何传热过程决不能违背能量收支平衡的原则?热力学第二定律指出自然界的过程总是有条件进行的,传热只能从温度较高处传往温度较低处,引起“熵”增和能量可用性的损失[1,2]?热力学把传热量和功量(包括机械功?电功等)作为“转移能”而与宏观的位能?动能?内能的作为“储存能”明确区别开来?转移能是由过程前后储存能的改变转化来的?但是,经典热力学只限于研究“平衡态”和保持动平衡的“可逆过程”?而热量传递的过程是温度不平衡的结果,是典型的不可逆过程,必须由另一个学科分支对传热的快慢程度进行定量分析和计算,这个学科分支就是“传热学”?具体地说,如果不发生能量形式的转化,单纯传热过程的外传热量将是过程前后的内能差与功量的代数和?这种热力学分析,既不涉及传热的机理,也不涉及外传热量所需时间的长短?温差越大,传热越快,引起能量可用性的损失越多?专门研究传热的规律,计算给定条件下的传热速率和“热流量”①的大小,是传热学的任务?传热学和热力学,是理解各种热物理现象的理论基础,也是创新热利用和热管理技术及其经济性分析的重要依据?
在现代工程设计和运行中,经常遇到有关加热/冷却?蒸发/凝结?熔化/凝固?隔热保温等各种各样的实际问题?例如,热工和化工技术人员在评价锅炉?制冷机?换热器和反应器的设备大小?能力和技术经济指标时,就必须进行详尽的传热分析?一些工作在高温气氛下的部件,如燃气轮机的透平叶片和燃烧室壁,能否在设计工况下长期正常运行,取决于保护金属结构材料的冷却措施是否合适可靠,还需重视热应力和由此引起的形变等问题?许多新兴技术装备,如原子反应堆的堆芯?大功率火箭的喷管?紧密的电子器件?重返地面的宇宙飞行器等,要使设计和运行安全可靠,必须严密控制传热情况以维持合理的预期工作温度?而对连续工作的电机?变压器和轴承,同样要防止因超温过热而损伤设备?在机械制造工艺方面,不仅热加工直接牵涉到温度分布和随时间变动速率的控制问题,精密机床的切削速度也会引起刀具和加工件的发热并影响加工精度和刀具寿命?建筑部门将遇到围护结构的隔热保温?大型混凝土结构在快速浇灌中出现热应力等技术问题?列举的所有传热问题可归纳为两种类型:一类着眼于传热速率的大小及其控制问题,或者增强传热以缩小设备尺寸或提高生产能力,或者削弱传热以避免散热损失或保持设备内部低于周围环境温度;另一类着眼于温度分布及其控制问题?控制传热,必须按照客观规律,分析传热的具体情况,找出有效的控制措施?有关高温部件保护性冷却的进展,使传热与传质紧密地结合起来,传热学逐渐引申为传热传质学?