(完整版)传热学知识点

传热学主要知识点

1. 热量传递的三种基本方式。

热量传递的三种基本方式：导热(热传导)、对流(热对流)和热辐射。

2. 导热的特点。

a 必须有温差；

b 物体直接接触；

c 依靠分子、原子及自由电子等微观粒子 热运动而传递热量；

d 在引力场下单纯的导热一般只发生在密实的固体中。

3. 对流（热对流）(Convection)的概念。

流体中（气体或液体）温度不同的各部分之间，由于发生相对的宏观运动而把 热量由一处传递到另一处的现象。 4 对流换热的特点。

当流体流过一个物体表面时的热量传递过程，它与单纯的对流不同，具有如下 特点：

a 导热与热对流同时存在的复杂热传递过程

b 必须有直接接触（流体与壁面）和宏观运动；也必须有温差

c 壁面处会形成速度梯度很大的边界层

5. 牛顿冷却公式的基本表达式及其中各物理量的定义。

q ' = h (t w - t ∞ )

(w)

= q 'A = Ah (t w - t ∞ )

w / m 2

h 是对流换热系数单位 w/(m 2 k) q ' 是热流密度（导热速率），单位(W/m 2)

是导热量 W

6. 热辐射的特点。

a 任何物体，只要温度高于 0 K ，就会不停地向周围空间发出热辐射；

b 可以在真空中传播；

c 伴随能量形式的转变；

d 具有强烈的方向性；

e 辐射能与温度和波长均有关；

f 发射辐射取决于温度的 4 次方。

7. 导热系数, 表面传热系数和传热系数之间的区别。导热系数：表征材料导热

能力的大小，是一种物性参数，与材料种类和温度关。

表面传热系数：当流体与壁面温度相差 1 度时、每单位壁面面积上、单位时间内所传递的热量。影响 h 因素：流速、流体物性、壁面形状大小等传热系数： 是表征传热过程强烈程度的标尺，不是物性参数，与过程有关。

第一章 导热理论基础

1 傅立叶定律的基本表达式及其中各物理量的意义。傅立叶定律（导热基本定律）：

q ' = -k ?dT q ' = -k ?T = -k (i ?T + j ?T + k ?T

) x ?dx ?x ?y ?z

q ' = -k ?T n ?n

T(x,y,z)为标量温度场

圆筒壁表面的导热速率 q r

= -kA dT

dr = -k (2rL ) dT dr

垂直导过等温面的热流密度，正比于该处的温度梯度，方向与温度梯度相反。 (1) 空隙中充有空气,空气导热系数小,因此保温性好;

(2) 空隙太大,会形成自然对流换热,辐射的影响也会增强,因此并非空隙越大越好。

(3) 由于水分的渗入，替代了相当一部分空气，而且更主要的是水分将从高温区向低温区迁移而传递热量。因此，湿材料的导热系数比干材料和水都要大。所以，建筑物的围护结构，特别是冷、热设备的保温层，都应采取防潮措施。

导热微分方程式的理论基础。 傅里叶定律 + 热力学第一定律

导热与导出净热量（使用傅里叶定律）+微元产生的热量=微元的内能变化量。

导热微分方程（热方程）

? (k ?T ) + ?x ?x ? (k ?T ) + ?y ?y ? (k ?T ) + q = c ?z ?z ?T p ?t

（k 是导热率 ----- 导热系数）

?2T + ?2T + ?2T + q = 1 ? ?T =

?x 2 ?y 2 ?z 2 k ?t

热扩散系数

k /( c p )

（可以用来计算?T

，温度随时间的变化率） ?t

d

(k dT

) = 0 dx dx

热扩散率的概念

热扩散率（用 a 表示）反映了导热过程中材料的导热能力与沿途物质储热能力之间的关系值大，即 λ 值大或 ρc 值小，说明物体的某一部分一旦获得热量， 该热量能在整个物体中很快扩散。热扩散率表征物体被加热或冷却时，物体内各部分温度趋向于均匀一致的能力在同样加热条件下，物体的热扩散率越大，

如果是一维导热

且无内热源

如果导热率是常量

物体内部各处的温度差别越小。热扩散率反应导热过程动态特性，是研究不稳态导热的重要物理量。

完整数学描述：导热微分方程 + 单值性条件导热微分方程式描写物体的温度随时间和空间变化的关系；它没有涉及具体、特定的导热过程。是通用表达式。对特定的导热过程，需要补充单值性条件，才能得到特定问题的唯一解。单值 性条件包括四项：几何条件、物理条件、时间条件（初始条件）、边界条件。

边界条件

边界条件说明导热体边界上过程进行的特点

反映过程与周围环境相互作用的条件（１）第一类边界条件：已知任一瞬间导 热体边界上温度值；（2）第二类边界条件：已知物体边界上热流密度的分布及变化规律，第二类边界条件相当于已知任何时刻物体边界面法向的温度梯度值； （3）第三类边界条件：当物体壁面与流体相接触进行对流换热时，已知任一时

刻边界面周围流体的温度和表面传热系数。（ - k ?T | ?x

x =0 = h [T ∞-T (0, t )] ）

第 2 章 稳态导热(一维导热结果总汇 P.80)

热阻：（径向系统的热阻 P.74） R

≡ T s ,1 - T s ,2 = L 导热（conduction ）热阻

t ,cond

x

对流（convection ）热阻 R t ,conv

≡ T s - T ∞ = 1 q hA

R ≡ T s - T sur

=

1

辐射（radiation ）热阻

t ,rad

q rad

h r A

接触（thermal contact ）热阻定义式 R t ',c = T A - T B

q

总传热系数 U ： q x

x

≡ UA ?T

总热阻： R tot = ∑R t

= ?T = 1 q UA

R

=

ln(r 2 / r 1 ) 圆筒壁中的径向导热热阻

t ,cond 2Lk

q kA

圆筒壁表面的对流换热热阻R

t ,conv

=

1

h(2rL)

1.由第三类边界条件下通过平壁的一维稳态导热量关系式，分析为了增加传热量，可以采取哪些措施?

第三类边界条件下通过平壁的一维稳态导热量关系式：

Φ=

T

∞,1

-T

∞,2

1

+

L

+

h

1

A kA

1

h

2

A

为了增加传热量，可以采取哪些措施?

（1）增加平壁两边的温差（T∞,1-T∞,2），但受工艺条件限制

（2）减小热阻：

a)金属壁一般很薄(L 很小)、热导率很大，故导热热阻一般可忽略

b)增大h1、h2，但提高h1、h2 并非任意的

c)增大换热面积A 也能增加传热量

在一些换热设备中，在换热面上加装肋片是增大换热量的重要手段。

2.在管道外覆盖保温层是不是在任何情况下都能减少热损失？为什么？

不是,只有当管道外径大于临界热绝缘直径时,覆盖保温层才能减小热损失.

接触热阻的概念。实际固体表面不是理想平整的，所以两固体表面直接接触的

界面容易出现点接触，或者只是部分的而不是完全的和平整的面接触——给

导热带来额外的热阻，即接触热阻。

5．什么是形状因子?

为了便于工程设计计算，对于有些二维、三维的稳态导热问题，针对已知两个

恒定温度边界之间的导热热流量，可以采用一种简便的计算公式。在这种公式中，将有关涉及物体几何形状和尺寸的因素归纳在一起，称为形状因子。

第 3 章非稳态导热（瞬态导热--确定瞬态过程中固体内的温度分布随时间变化的确定方法。）

1.非稳态导热的分类。

周期性非稳态导热和瞬态非稳态导热

2 , 2. Bi 准则数, Fo 准则数的定义及物理意义。

Bi 准则数（瞬态导热问题第一件事，计算 Bi 准则数）：

L

Bi =

h = /= 物体内部导热热阻 ；如果 Bi = k = hL c < 0.1采用集总热容

1/ h

物体表面对流换热热阻 1 k h

法误差较小。定性长度 L c ≡ V / A s

Fo 准则数： Fo = a

是非稳态导热过程的无量纲时间。在稳态导热过程中，Fo

愈大，热扰动愈能深入地传播到物体内部，使物体内部各点温度趋于均匀一致。并接近于周围介质温度。

3. 集总参数法的物理意义及应用条件。

忽略物体内部导热热阻、认为物体温度均匀一致的分析方法。此时，温度分布 只与时间有关，与空间位置无关。应用条件： Bi < 0.1

4. 热时间常数的定义及物理意义。

度 T 所需的时间。反向计算可以计算在某一个时间 t 到达的温度。

其中 V c

hA s =t 是所谓的热时间常数 ---------- 它是指环境温度改变时，热敏电阻器

改变了环境温度改变值的 63%所用的时间。 （采用集总参数法分析时，物体中 过余温度 随时间变化的关系式中的

cV /(hA ) 具有时间的量纲，称为时间常数。）

时间常数的数值越小表示测温元件越能迅速地反映流体的温度变化。 5. 非稳态导热的正常情况阶段的物理意义。

当 Fo ≥ 0.2 时，物体在给定的条件下冷却或加热，物体中任何给定地点过余温 度的对数值将随时间按线性规律变化。物体中过余温度的对数值随时间按线性规律变化的这个 x 阶段，称为瞬态温度变化的正常情况阶段。6．半无限大物体的概念。半无限大物体的概念如何应用在实际工程问题中？ 半无限大物体，是指以无限大的 y-z 平面为界面，在正 x 方向伸延至无穷远的 物体。

在实际工程中，对于一个有限厚度的物体，在所考虑的时间范围内，若渗透厚度小于本身的厚度，这时可以认为该物体是个半无限大物体。

第 4 章 导热问题数值解法基础

1. 数值解法的基本求解过程

V c

ln i

hA

= t

≡ T - T i

i ∞ ≡ T - T ∞ s

数值解法，即把原来在时间和空间连续的物理量的场，用有限个离散点上的值

的集合来代替，通过求解按一定方法建立起来的关于这些值的代数方程，从而

获得离散点上被求物理量的值；并称之为数值解。

2.热平衡法的基本思想。

对每个有限大小的控制容积应用能量守恒，从而获得温度场的代数方程组，它

从基本物理现象和基本定律出发，不必事先建立控制方程，依据能量守恒和傅

立叶导热定律即可。

第五章对流换热分析影响对流换热的主要物理因素.

对流换热是流体的导热和对流两种基本传热方式共同作用的结果。其影响因素

主要有以下五个方面：(1)流动起因; (2)流动状态; (3)流体有无相变; (4)换

热表面的几何因素; (5)流体的热物理性质。

2.对流换热是如何分类的?

(1)流动起因：自然对流和强制对流；

(2)流动状态: 层流和紊流；

(3)流体有无相变: 单相换热和相变换热(4)换热表面的几何因素：内部流动对

流换热和外部流动对流换热。

3.对流换热问题的数学描写中包括那些方程?

连续性方程、动量微分方程、能量微分方程、对流换热过程微分方程式。

4.边界层概念的基本思想。

流场可以划分为两个区：边界层区与主流区

边界层区：流体的粘性作用起主导作用，流体的运动可用粘性流体运动微分方

程描述（N-S 方程）主流区：速度梯度为 0，t=0；可视为无粘性理想流体；流

体的运动可用欧拉方程描述。

5.流动边界层的几个重要特性。(1) 边界层厚度d 与壁的定型尺寸L 相比极小，d << L

(2) 边界层内存在较大的速度梯度(3) 边界层流态分层流与湍流；湍流边界层

紧靠壁面处仍有层流特征，存在层流底层；(4) 流场可以划分为边界层区与主

流区边界层区：由粘性流体运动微分方程描述主流区：由理想流体运动微分方程—欧拉方程描述。可以划分为两个区：热边界层区与等温流动区

7.数量级分析的方法。

比较方程中各量或各项的量级的相对大小；保留量级较大的量或项；舍去那些

量级小的项，方程大大简化。

8.相似理论回答了关于试验的哪三大问题？（1）实验中应测哪些量（是否

所有的物理量都测）？应测量各相似准则中包含的全部物理量，其中物性由实

验系统中的定性温度确定。（2）实验数据如何整理（整理成什么样函数关系）？实验结果整理成准则关联式。（3）实物试验很困难或太昂贵的情况，如何进行试验？实验结果可推广应用于哪些地方？实验结果可推广应用到相似的现

? ? 象，在安排模型实验时，为保证实验设备中的现象（模型）与实际设备中的现象（原型）相似，必须保证模型与原型现象单值性条件相似，而且同名的已定准则数值上相等。

9. Nu, Re, Pr, Gr 准则数的物理意义。

Nu =

hl

，表征壁面法向无量纲过余温度梯度的大小，由此梯度反映对流换热的

+强弱；

Re = ul

，表征流体流动时惯性力与粘滞力的相对大小，Re 的大小能反映流态；

Pr =

，物性准则，反映了流体的动量传递能力与热量传递能力的相对大小； a

g ?t l 3 Gr = 2 ，表征浮升力与粘滞力的相对大小，Gr 表示自然对流流态对换热 的影响。 /*对流导论三个边界层（速度、热边、浓度），三个公式（表面切应力公式、热流密度的傅里叶定律、摩尔流密度的斐克定律---摩尔传递速率 N A (kmol/s)= h C A ,∞ ) C 为摩尔浓度），三个参数（摩擦系数C f 、对流传热系数h 、

对流传质系数h m

h = ），两个平均参数（对于任意形状表面 1 A s A s

h d A s ，

h m = A s s

h m d x ）

雷诺数

Re x ≡

u ∞ x

=

VL

惯性力与粘性力之比，临街雷诺数为 5*105---

-涉及平板的计算使用这个值（涉及层流和紊流的计算需要想到雷诺数的公式）边界层相似 引入重要的无量纲相似参数，雷诺数 Re L 、普朗特数 Pr 、施密特*/

相似参数的重要性 --------- 在一组对流条件下的表面得到的结果应用与所处条件 完全不同但是几何相似的表面（特征长度 L 定义的）。

Pr =

p p 边界层类比 p234

传热和传质比 Nu Pr n = Sh

Sc n

n 取1 3

根据已知的对流系数确定另一种对流系数。

Nu =

hL k f

（对流传热与热传导之比） Sh =

h m L （表面处无纲量浓度梯度）

D AB

c

（动量扩散系数与热扩散系数之比） Sc =

（动量扩散系数与 k D AB 质量扩散系数之比）

第六章 单相流体对流换热及·准则关联式

1. 对管内受迫对流换热，为何采用短管和弯管可以强化流体的换热？ .短管:入口效应。入口处边界层较薄，对流换热强度较大；

弯管：由于离心力作用，产生二次回流，对边界层形成一定扰动。

2. 对管内受迫对流换热，各因素对紊流表面传热系数影响的大小。

h = f (u 0.8 ,

0.6

, c 0.4 ,

0.8

,

-0.4

, d -0.2 )

3. 空气横掠管束时，沿流动方向管排数越多，换热越强，为什么？

横掠管束时，前排管子后形成的涡旋对后排管子上的边界层造成一定的扰动作

用，有利于换热。

4. 无限空间自然对流换热的自模化现象及应用。

自然对流紊流的表面传热系数与定型尺寸无关，该现象称自模化现象。利用这 一特征，紊流换热实验研究可以采用较小尺寸的物体进行，只要求实验现象的 Gr·Pr 值处于紊流范围。

第七章 凝结与沸腾换热膜状凝结和珠状凝结的概念.

膜状凝结：沿整个壁面形成一层薄膜，并且在重力的作用下流动，凝结放出的汽化潜热必须通过液膜，因此，液膜厚度直接影响了热量传递。珠状凝结：当凝结液体不能很好的浸润壁面时，则在壁面上形成许多小液珠，此时壁面的部分表面与蒸汽直接接触，因此，换热速率远大于膜状凝结（可能大几倍，甚至一个数量级）虽然珠状凝结换热远大于膜状凝结，但可惜的是，珠状凝结很难保持，因此，大多数工程中遇到的凝结换热大多属于膜状凝结，因此，教材中 只简单介绍了膜状凝结 2．为什么冷凝器中的管子多采用水平布置？要增大卧 式冷凝器的换热面积，采用什么方案最好？

只要不是很短的管子，水平布置较竖直布置管外的凝结表面传热系数大。采用增长管长的办法最好。

3. 蒸汽在水平管束外凝结时，沿液膜流动方向管束排数越多，换热强度越低。

为什么？

蒸汽在水平管束外凝结时，上排管子形成的凝结液滴落到下排管子上，使液膜层增厚，阻碍了换热。

4.沸腾的概念。

工质内部形成大量气泡并由液态转换到气态的一种剧烈的汽化过程。

过冷沸腾和饱和沸腾的概念。过冷沸腾：指液体主流尚未达到饱和温度，即处于过冷状态，而壁面上开始产生气泡，称之为过冷沸腾

饱和沸腾：液体主体温度达到饱和温度，而壁面温度高于饱和温度所发生的沸腾，称之为饱和沸腾。

6.饱和沸腾曲线可以分成几个区域? 有那些特性点? 各个区域在换热原理上有何特点?

大空间饱和沸腾曲线：表征了大容器饱和沸腾的全部过程，共包括 4 个换热规律不同的阶段：自然对流、泡态沸腾、过渡态沸腾和膜态沸腾。

7.气化核心的概念。

实验表明，通常情况下，沸腾时汽泡只发生在加热面的某些点，而不是整个加热面上，这些产生气泡的点被称为汽化核心，较普遍的看法认为，壁面上的凹穴和裂缝易残留气体，是最好的汽化核心

8.什么是临界热流密度? 什么是烧毁点?

热流密度的峰值 q max 有重大意义，称为临界热流密度，亦称烧毁点。一般用核态沸腾转折点作为监视接近 q max 的警戒。这一点对热流密度可控和温度可控的两种情况都非常重要。

第 8 章热辐射基本定律

1．热辐射定义和特点。

(1)定义：由热运动产生的，以电磁波形式传递的能量；

(2)特点：a 任何物体，只要温度高于0 K，就会不停地向周围空间发出热辐射；b 可以在真空中传播；c 伴随能量形式的转变；d 具有强烈的方向性；e 辐射能与温度和波长均有关；f 发射辐射取决于温度的4 次方。什么是黑体,灰体? 实际物体在什么样的条件下可以看成是灰体?

黑体：是指能吸收投入到其面上的所有热辐射能的物体，是一种科学假想的物体，现实生活中是不存在的。但却可以人工制造出近似的人工黑体。

灰体：单色发射率与波长无关的物体称为灰体。其发射和吸收辐射与黑体在形式上完全一样，只是减小了一个相同的比例。

3.物体的发射率, 吸收率, 反射率, 透射率是怎样定义的?发射率：相同温度下，实际物体的辐射力与同温度下黑体辐射力之比当热辐射投射到物体表面上时，一般会发生三种现象，即吸收、反射和透射。

吸收率表示投射的总能量中被吸收的能量所占份额；反射率表示投射的总能量

中被反射的能量所占份额；

透射率表示投射的总能量中被透射的能量所占份额。

4.漫表面的概念。

物体发射的辐射强度与方向无关的性质叫漫辐射。反射的辐射强度与方向无关

的性质叫漫反射。既是漫辐射又是漫反射的表面统称漫表面。

5.白颜色的物体就是白体，黑颜色的物体就是黑体，对吗？为什么？

黑体、白体是对全波长射线而言。在一般温度条件下，由于可见光在全波长射

线中只占有一小部分，所以物体对外来射线吸收能力的高低，不能凭物体的颜

色来判断。

6.四个黑体辐射基本定律。

普朗克定律，斯蒂芬—玻尔兹曼定律，兰贝特余弦定律，基尔霍夫定律。

第九章辐射换热计算角系数的定义及性质。

角系数：有两个表面，编号为 1 和 2，其间充满透明介质，则表面 1 对表面 2 的角系数X1,2 是：表面 1 发射出的辐射能中直接落到表面 2 上的百分数。同理，也可以定义表面 2 对表面 1 的角系数。角系数性质：相对性，完整性，分解性。

2.重辐射面（绝热表面）的特点。

重辐射面（绝热表面）的净换热量为零。重辐射面（绝热表面）仍然吸收和发

射辐射，只是发出的和吸收的辐射相等。它仍然影响其它表面的辐射换热。这

种表面温度未定而净辐射换热量为零的表面被称为重辐射面（绝热表面）。

3.有效辐射的概念。

灰体表面的有效辐射是其表面的本身辐射和反射辐射之和。

4．.表面辐射热阻和空间辐射热阻的表达式。

表面辐射热阻：1-

i i

A

i

空间辐射热阻：

1 A

i

X

i, j

5.应用网络法的基本步骤A 画等效电路图；B列出各节点的热流(电流)方程组；

C求解方程组，以获得各个节点的等效辐射；

D利用公式i =E

bi

-J

i ，计算每个表面的净辐射热流量。

1-

i

i

A

i

6.强化辐射换热和削弱辐射换热的主要途径

强化辐射换热的主要途径有两种：(1) 增加发射率；(2) 增加角系数。

削弱辐射换热的主要途径有三种：(1) 降低发射率；(2) 降低角系数； (3) 加

入隔热板。7．普通窗玻璃对红外线几乎是不透过的，但为什么隔着玻璃晒太阳却使人感到暖和？

(1)虽然红外线几乎不透过，但太阳中的可见光却可大部分透过；

(2)室内常温物体发出的红外线几乎不能透过窗户到室外。

8.北方深秋季节的清晨，树叶叶面上常常结霜。试问树叶上下表面的哪一面结霜？为什么？

树叶上表面结霜。因为此时天空的温度已降得很低，树叶上表面和天空间辐射换热可失去更多能量；而树叶下表面和大地间有辐射换热，大地表面温度相对天空温度要高得多。

9.太阳能吸收器表面材料应满足什么特性？并说明原因

对太阳辐射波段内的射线单色吸收率尽可能大，发射红外波段内范围内射线的单色发射率尽可能的小。这样可以从太阳辐射中尽可能多的吸收能量，而其本身的辐射损失很小。

第 10 章传热和换热器

1．.换热器有那些主要形式?

换热器是实现两种或两种以上温度不同的流体相互换热的设备，按工作原理可分为三类：间壁式换热器、混合式换热器、回热式换热器。

2．间壁式换热器的主要型式

(1)套管式换热器：最简单的一种间壁式换热器，流体有顺流和逆流两种，适用于传热量不大或流体流量不大的情形；(2) 管壳式换热器：最主要的一种间壁式换热器，传热面由管束组成，管子两端固定在管板上，管束与管板再封装在外壳内。两种流体分管程和壳程。(3) 交叉流换热器：间壁式换热器的又一种主要形式。其主要特点是冷热流体呈交叉状流动。交叉流换热器又分管束式、管翅式和板翅式三种。单位体积内所包含的换热面积作为衡量换热器紧凑程度的衡量指标，一般将大于 700m2/m3 的换热器称为紧凑式换热器，板翅式换热器多属于紧凑式，因此，日益受到重视。(4) 板式换热器：由一组几何结构相同的平行薄平板叠加所组成，冷热流体间隔地在每个通道中流动，其特点是拆卸清洗方便，故适用于含有易结垢物的流体。(5) 螺旋板式换热器：换热表面由

两块金属板卷制而成，优点：换热效果好；缺点：密封比较困难。对数平均温差的公式。

??t'-?t''

t m =

?t'

ln

?t''

4.换热器热计算的基本方法。

平均温差法和效能-传热单元数法。

5.什么是换热器的效能和传热单元数。

换热器的效能：换热器的实际传热量与最大可能的最大传热量之比，并用ε 表

示，传热单元数：换热器效能公式中的kA 依赖于换热器的设计，C

min

则依赖于

换热器的运行条件，因此，kA / C

min

在一定程度上表征了换热器综合技术经济性能，习惯上将这个比值（无量纲数）定义为传热单元数 NTU。

6.是不是所有的换热器都设计成逆流形式的就最好呢？

不是，因为一台换热器的设计要考虑很多因素，而不仅仅是换热的强弱。比如，逆流时冷热流体的最高温度均出现在换热器的同一侧，使得该处的壁温特别高，可能对换热器产生破坏，因此，对于高温换热器，又是需要故意设计成顺流。7.什么是污垢热阻?

R =1

-

1

f k k

污垢增加了热阻，使传热系数减小，这种热阻称为污垢热阻，用 R f 表示，式中：k 为有污垢后的换热面的传热系数，k0为洁净换热面的传热系数。