Principles of Heat Transfer（熱傳學原理）

引用

Kreith, F., & Manglik, R. M. (2018). Principles of Heat Transfer (8th ed.). Cengage Learning.

章節概要

第八版共十一章和五個附錄（國際單位制、資料表、三對角矩陣計算機程式、傳熱的商用計算機程式，以及傳熱文獻），共784頁。每章以一份題為「Concepts and Analyses to Be Learned」（待學習的概念與分析）的清單開頭，以摘要、參考文獻和習題結尾。Cengage稱本書遵循ASME傳熱教育委員會的建議，採用全面的工程方法，將計算分析與闡明物理本質的解析方法結合起來。

第1章：傳熱的基本方式（Basic Modes of Heat Transfer）

先聯絡熱力學說明傳熱，再講量綱與單位，並引入熱傳導、對流和輻射。最後講組合傳熱系統、隔熱以及能量守恆定律的作用。

第2章：穩態熱傳導（Steady Heat Conduction）

引入熱傳導方程，並用於簡單幾何形狀中的穩態傳導，然後講延伸表面（肋片）和多維穩態傳導。

第3章：瞬態熱傳導（Transient Heat Conduction）

講內部熱阻可忽略的系統、有空間溫度分布的系統、半無限固體和多維繫統。

第4章：熱傳導的數值分析（Numerical Analysis of Heat Conduction）

發展一維穩態與非穩態傳導的數值方法，然後是二維穩態與非穩態傳導、柱座標和不規則邊界。

第5章：對流傳熱分析（Analysis of Convection Heat Transfer）

對流的理論章節：邊界層基礎，平板層流的質量、動量和能量守恆方程，無量綱方程與相似參數，量綱分析，層流邊界層的解析解與近似積分解，平板上的湍流，以及特殊邊界條件與高速流動。

第6–8章：外表面強制對流；管內強制對流；自然對流（Forced Convection over Exterior Surfaces; Forced Convection Inside Tubes and Ducts; Natural Convection）

第6章講繞鈍體的流動、圓柱與球體、橫掠管束（包括帶肋管束）、填充床和自由射流。第7章講長管內的層流強制對流、層流與湍流的關聯式、傳熱與動量傳遞的類比，以及強化傳熱和電子器件冷卻。第8章講自然對流的相似參數、各種形狀的經驗關聯式、帶肋表面、旋轉的圓柱、圓盤和球體，以及強制與自然混合對流。

第9–10章：相變傳熱；換熱器（Heat Transfer with Phase Change; Heat Exchangers）

第9章講沸騰（池沸騰與強制對流沸騰）、凝結、冷凝器設計、熱管，以及凝固與融化。第10章講換熱器的型別、總傳熱係數、對數平均溫差、效能、強化傳熱和微尺度換熱器。

第11章：輻射傳熱（Heat Transfer by Radiation）

熱輻射、輻射熱流、黑體輻射與輻射特性；太陽輻射與全球變暖；輻射角係數；黑表面、灰表面和非灰表面的封閉腔；輻射與對流、傳導的組合；以及氣體與蒸汽的輻射特性。

核心概念

第1–4章：傳熱方式與熱傳導

• 熱傳導、對流與輻射：三種基本傳熱方式，在第1章一併引入。
• 延伸表面（肋片）：為增強傳熱而增設的表面，在穩態傳導一章中講解。
• 內部熱阻可忽略：瞬態傳導的集總處理，與有空間溫度分布的系統相對照。
• 數值分析：傳導問題的數值求解，如用有限差分；附錄提供三對角矩陣程式。

第5–8章：對流

• 邊界層：緊鄰表面、決定對流傳遞的薄層區域。
• 相似參數：用來整理對流結果的無量綱組。
• 傳熱與動量傳遞的類比：用於管內湍流強制對流的聯絡。
• 自然對流與混合對流：浮力驅動的流動及其與強制流動的組合。

第9–11章：相變、換熱器與輻射

• 沸騰與凝結：伴隨相變的傳熱，涉及冷凝器設計和熱管。
• 對數平均溫差與效能：分析換熱器的兩種主要方法。
• 輻射角係數：表面之間輻射交換的幾何因子。
• 灰體與非灰體封閉腔：封閉腔內輻射交換的模型。

評析

優點

• 各章佈局清晰。 每章都以待學習的概念與分析的陳述開頭，以摘要、參考文獻和習題結尾，有助於自學和課程規劃。
• 分兩步建立對流。 第5章發展邊界層理論和相似，第6至8章再給出外部、內部和自然對流的關聯式。學生是先看到分析，再看到經驗公式。
• 面向設計的內容。 Cengage說明本書強調在可再生能源、生物工程、微電子、材料加工和太空探索等當前工程挑戰中的應用，目錄中則有電子器件冷卻、熱管、冷凝器設計和微尺度換熱器。
• 計算是書的一部分。 數值分析自成一章，附錄提供三對角矩陣程式和傳熱商用計算機程式概覽。
• 解題方法。 出版社說明，作者使用類似執業工程師所面對的開放式問題，並建議用自己的話重述問題，畫出已知量和未知量的示意圖。

侷限

• 沒有傳質。 十一章只涉及傳熱。需要傳質的學生要另找帶傳質章節的教材，如Çengel與Ghajar或Lienhard的書。
• 對流理論集中在一章。 第5章把邊界層方程、相似、量綱分析和積分方法放在一章裡，對剛接觸這門學科的學生來說，在進入關聯式各章之前這可能是比較陡的一步。
• 各來源的版本細節不同。 Cengage列出的版權年份是2018年，而Google圖書把第八版的日期定為2016年10月；ISBN 9781337535366是電子書，印刷版另有ISBN。

在課程中的定位

Kreith與Manglik的書是第一門傳熱課程的主教材。Çengel與Ghajar的 Heat and Mass Transfer: Fundamentals and Applications 是最接近的替代選擇：其第六版印刷版有14章外加三個線上章節，增加了傳質，並採用淡化數學、物理優先的方法；Kreith與Manglik則更緊湊，共十一章，併為對流設了一章理論章節。Lienhard的 A Heat Transfer Textbook 是入門性的替代選擇，也涉及傳質，其第六版可免費下載；Nellis與Klein的 Introduction to Engineering Heat Transfer 把推導與EES、MATLAB等計算工具結合起來。

Bergman、Lavine、Incropera與DeWitt的 Fundamentals of Heat and Mass Transfer 是更嚴謹的工程教材，附有分析與設計習題。Ghiaasiaan的 Convective Heat and Mass Transfer 是對流方面的研究生層次論述，適合在學過以上任何一本教材的課程之後讀。

如何使用本書

本書適合修第一門傳熱課程的機械、化工和航空航天工程學生，也適合需要標準關聯式的執業工程師。Cengage沒有列出預備知識；學生需要微積分、微分方程和基礎熱力學，學習對流各章時流體力學也會有用。

• 核心： 第1–3章（傳熱方式、穩態與瞬態傳導）、第6–8章（強制與自然對流關聯式）、第10章（換熱器）和第11章（輻射）。
• 理論與計算： 第4章熱傳導的數值分析和第5章對流分析是數學性最強的章節；如果課程包含數值方法或邊界層分析，就要學這兩章。
• 選讀： 第9章沸騰、凝結與熱管，可在對流掌握之後再學。

每章從「待學習的概念與分析」清單開始，用自己的話重述每道題並畫出示意圖，並把附錄2的資料表放在手邊。