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1、传热学就是研究热量传递规律的一门科学。只要不同物体或物体不同部分之间存在温度差，它们之间就会发生热量的传递，热量传递有三种方式：导热、对流换热和辐射换热。在制冷空调领域，热量传递普遍存在。例如在压缩式制冷系统中，从蒸发器回来的气态制冷剂进入压缩机，被压缩为高温高压的气体，然后进入冷凝器内放热，把热量传递给周围的介质（一般为空气或水），同时制冷剂被冷却成液态，然后经节流进入蒸发器，在蒸发器内沸腾吸热，即可得到我们需要的冷却的水或空气。因此，认识、掌握热量传递的过程和规律，在制冷空调技术实践中有着极其重要的意义。在传热学的工程应用中，通常要达到两个基本目的：（1）能准确计算所研究系统中传递的热量；
2、（2）能准确预测所研究物体中的温度分布。第一章 稳态导热在三种热量传递方式中，导热是最容易利用数学工具进行分析和处理，对传热学的深入学习就从导热开始。本章首先引出导热的基本定律和一般数学表达式，然后介绍制冷空调装置中常见壁面（如平壁和圆筒壁）中热流量和温度分布的规律和计算方法。第一节 导热基本概念和傅里叶定律一、导热的概念导热即热传导，是指发生在物质本身各部分之间或直接接触的物质与物质之间的热量传递现象。它是依靠物质的分子、原子或自由电子等微观粒子的热运动来传递热量的，也就是说，导热是在分子集团不发生宏观相对运动时，单纯由微观粒子的直接作用（如迁移、碰撞或振动等）而引起的热量传递现象。导热是物
3、质的属性，导热过程可以在固体、液体及气体中发生。但是在重力场下，单纯的导热一般只发生在密实的固体中，这是因为，在有温差时，液体和气体的密度会改变从而形成对流，不能维持单纯的导热。在专业学习和实践中，一般把发生在换热器管壁、肋片、管道保温层、墙壁等固态材料中的热量传递过程都看成导热问题。二、温度场在工程应用中，常常需要预测物体的温度分布，通常将某一时刻物体中各点温度分布的状况称为温度场。一般来说，温度场是空间和时间的函数，其数学表达式为 1-1式中，x,y和z是空间坐标；是时间坐标；t代表温度。温度场分为两类，即稳态温度场和非稳态温度场。当温度场内各点的温度随时间而变化时，这种温度场称为非稳态温
4、度场，例如制冷机在开机、停机过程中的温度场就属于非稳态温度场。当温度场内各点的温度不随时间而变化，这种温度场称为稳态温度场，例如制冷机在工况稳定持续运行状态下的温度场就属于稳态温度场。在稳态温度场中的导热就是稳态导热，反之，在非稳态温度场中的导热就是非稳态导热。稳态温度场内温度的分布与时间无关，仅是空间坐标的函数。若温度在空间三个坐标方向都发生变化，则称为三维稳态温度场，其数学表达式为 1-2在稳态温度场中，若温度仅在空间两个坐标方向发生变化，则称为二维稳态温度场，其数学表达式为 1-3在稳态温度场中，若温度仅在空间一个坐标方向发生变化，则称为一维稳态温度场，其数学表达式为 1-4三、等温线和
5、等温面 同一时刻，温度场中所有温度相同的点连接所构成的面称为等温面，它可能是平面，也可能是曲面。不同的等温面与同一平面相交，则在此平面上构成一簇曲线，称为等温线。等温面和等温线具有以下性质：1） 同一时刻，物体内的任一点不可能具有多于一个的不同温度，所以不同温度值的等温面或等温线不会彼此相交。2） 等温面或等温线可以是完全封闭的曲面或曲线，或者终止于物体的边界上，但不可以在物体内部中断。3） 在等温面或等温线上，不存在温差，所以没有热量的传递。图1-1在任何时刻，标绘出物体中所有的等温面（线），就给出了这一时刻物体内的温度分布情况，即给出了物体的温度场。所以，习惯上温度场是等温面（线）图来表示
6、的（图1-1）。四、温度梯度在等温面（线）上，不存在温差，因此不可能有热量的传递，热量传递只发生在不同的等温面（线）上。自等温面（线）上的某点出发沿不同方向到达另一等温面（线）时，将发现单位距离的温度变化，即温度的变化率具有不同的数值。自等温面（线）上某点到另一等温面（线），以该点法线方向的温度变化率最大。设两等温面（线）之间的温差为，法线方向的距离为，则与的比值的极限称为温度梯度，记作grad，单位为/m，即 1-5对于一维稳态温度场，温度梯度为 1-6温度梯度是向量，其方向是指向温度增加的方向，而热量传递方向与温度梯度方向正好相反。五、傅里叶定律1882年，法国数理学家傅里叶（Fourie
7、r J.）提出了导热的基本定律，称为傅立叶定律，其数学表达式为 1-7式中，q为单位时间内单位面积上的热流量，称为热流密度（W/m2），为导热系数W/m，grad为温度梯度。当导热面积为F时，有 1-8式中，为单位时间内通过F面积上的热流量（W），F为导热面积（m2）。以上两式中，负号表示热流方向与温度梯度相反。傅里叶定律用文字表述是：在导热现象中，单位时间内通过给定截面的热量，正比于该截面的温度梯度和面积，而热量传递的方向与温度梯度方向相反，即由高温部分传向低温部分。对于一维稳态温度场，傅立叶定律的数学表达式为 1-9或 1-10六、导热系数导热系数可由傅立叶定律数学表达式（1-7）得到 1
8、-11 由此可见，导热系数的数值就是物体的温度改变1时，单位时间内通过物体单位面积的热量，的单位是W/m。导热系数是物质的一个重要热物性参数，其大小表征着物质导热性能的优劣。在工程应用中，各种材料的导热系数都是用专门试验测定出来的，可以从相关资料查取。下表列出了一些典型材料在常温下的导热系数值。材料W/m材料W/m金属固体：纯银纯铜黄铜（70%Cu，30%Zn）纯铝铝合金（87%Al，13%Si）纯铁碳钢（约0.5%C）非金属固体：石英晶体（0,平行于轴）石英玻璃大理石玻璃松木（垂直木纹）松木（平行木纹）冰（0）42739810923616281.149.819.41.132.700.650.
9、710.150.352.22液体：水水银（汞）变压器油柴油润滑油气体（标准大气压）：空气氦气氮气水蒸气0.5990.790.1240.1280.1460.02570.02560.1770.194表1-1 几种常用材料在20时的导热系数值各种材料导热系数的大小会随温度改变而发生变化，一般的讲，合金材料和气体的导热系数随温度的升高而增大，纯金属和大多数液体的导热系数随温度的升高而减小，而水、甘油等强缔合液体的导热系数随温度的升高而增大。在工程计算中，常常要用到材料在一定温度变化范围内的导热系数，这时只需取材料在温度变化范围内的平均值所对应的导热系数即可。导热系数不同的材料应用在不同的场合，下面就制
10、冷空调领域常见材料的导热系数进行简单讨论。1. 换热器的导热系数制冷空调装置中的换热器应使用导热系数大的金属材料，以增强换热效果。金属的导热通过两种方式进行，即自由电子的迁移和晶格的振动，其中自由电子的迁移是热量的主要传递者，晶格的振动起次要作用。由于金属的导热和导电都是依靠自由电子，所以良好的导电体通常也是良好的导热体。当金属中含有杂质和因加工而有残余应力时，就会破坏晶格的完整性而使自由电子的迁移受到约束，使其导热系数下降，因此合金的导热系数一般比纯金属要低很多。在众多的金属材料中，由于铜具有良好的导热性和延展性，并且易于焊接，所以被大量应用于换热设备中。2. 隔热保温材料的导热系数在制冷空
11、调工程中，还会经常用到导热系数很小的保温材料（又称隔热材料）。我国国家标准规定，凡平均温度不高于350时，导热系数不大于0.12 W/m的材料称为保温材料。矿渣棉、硅藻土等都属于这类材料，近年来，我国发展生产了岩棉板、岩棉玻璃布缝毡、膨胀珍珠岩、膨胀塑料及中孔微珠等许多新型隔热保温材料，它们都具有容积重量轻、隔热性能好和价格便宜、施工方便等优点。这些高性能的保温材料都是蜂窝状多孔性结构，出厂时一般附有厂家提供的导热系数的数据。如岩棉玻璃布缝毡在0时的导热系数仅为0.031 W/m。另外，隔热保温材料的导热系数与其材料结构、湿度以及密度等有密切的关系：1）隔热保温材料的密度越小，则多孔结构中的空
12、隙就越大，材料的导热系数就越小，这是因为材料空隙中的空气的导热系数远小于固体成分的导热系数。例如，石棉的密度从800kg/m3减小到400 kg/m3，导热系数从0.2480 W/m减小到0.105 W/m。2）隔热保温材料的湿度越大，则空隙中的水越多，材料的导热系数就越大，这是因为水的导热系数比空气大得多。某些情况下，湿材料的导热系数比水的导热系数还大，例如干砖的导热系数为0.350W/m，水的导热系数为0.60W/m，湿砖导热系数为1.0 W/m。这是因为，一方面由于水的渗入代替了多孔材料空隙中的空气，水的导热系数比空气的大很多，另一方面由于多孔介质中毛细力的作用，高温区的水向低温区迁移，
13、因此产生热量转移，使湿材料的导热系数增大。因此，对于冷库的围护结构以及空调工程中的送风管道、冷媒水管等，其隔热保温层的外表面应包裹一层隔汽层，以防潮湿空气渗入。第二节 通过平壁的稳态导热一、单层平壁的稳态导热 如图1-2所示为一单层平壁。设平壁厚度为，无内热源，平壁两侧表面分别维持稳定的温度和。若平壁的高度和宽度远大于其厚度，则称为无限大平壁，这时可以认为沿高度与宽度两个方向的温度变化率很小，导热只沿厚度方向进行，即可认为是一维稳态导热。通过实际计算证实，当高度和宽度是厚度的10倍以上时，就可近似作为一维导热问题来处理。在离左壁面x处，取一厚度为dx的薄层平壁，该薄层温度差为dt，根据傅立叶定
14、律，通过该薄层的单位面积热流量为 分离变量后得 在稳态导热中，q为常数，导热系数为一定温度范围内的平均值，也是常数，所以上式积分后可得 1-12上式表明，一维稳态导热的温度分布与距离之间是线性关系，式中积分常数c由边界条件即可确定，把x=0，t=tw1和x=，t=tw2代入上式，可得 则单层平壁的单位面积上的热流量为 1-13式中，可看成一种热阻，称为单位面积平壁的导热热阻（m2/W），若平壁的导热面积为F，则总热量为 1-14式中，为单层平壁的总导热热阻（/W）。由式（1-12）（1-13）可得，单层平壁内温度场可表示为 1-15图1-2 单层平壁的导热二、多层平壁的稳态导热在工程计算中，常常遇到多层平壁，即
