【HVAC】关于传热的概念，看这篇文章足够了

在化学工程领域，传热操作是一个基本概念，它在广泛的流程中起着至关重要的作用。无论是在科学的每一个分支还是在学生日常生活中，热量和温度都是至关重要的概念。人类每天都与热量和温度互动，但许多人对它们有严重的误解。从蒸馏塔到换热器，了解传热原理对于设计、优化和有效运行这些系统至关重要。

在这篇文章中，我们将介绍传热操作，涵盖您需要了解的基本概念和术语。无论您是化学工程专业的学生还是该领域的专业人士，这篇文章都将作为您回顾传热概念的有用资源。

传热是两个或多个物体之间交换热能的过程。在许多工业中，如制造业、能源生产和运输业，这一过程都非常重要。传热操作是许多工程流程的关键部分，因为它们决定了热量如何在系统中移动以及该系统传递热量的效率。

传热 

简单来说，传热是：

由于温差而处于传递中的能量。

有三种主要的传热方式：导热、对流和辐射。

导热 Conduction，热传导简称导热，是指热量通过材料传递而材料本身没有任何运动的过程。这一过程在固体中很常见，因为固体中的分子紧密排列，能够快速地将能量从一个分子传递给另一个分子。

对流 Convection，是指热量通过流体（如水或空气）的运动来传递。这一过程通常在供暖和制冷系统中看到，因为空气或水被加热或冷却后，然后通过建筑物或系统循环。

辐射 Radiation，是指热量通过电磁波（如红外线辐射）传递。这一过程是我们从太阳和热灯感受到的热量，也用于许多工业过程中，如干燥、固化和灭菌。 

为了更好地理解导热、对流和辐射的概念，让我们看一下下面的图表：

导热是一种通过直接接触将热量从一个物体传递到另一个物体的传热方式。当材料中的一个分子与另一个分子碰撞时，就会发生这个过程，热量从较热的分子传递到较冷的分子。通过导热的传热速率取决于几个因素，包括材料的导热性、接触表面积以及两个物体之间的温差。为了更好地理解导热的概念，让我们看一下下面的图表：

在这个图中，我们有两个不同材料的块彼此接触。左边的块由金属制成，具有较高的导热性，而右边的块由木头制成，导热性较低。金属块的温度高于木块，因此热量通过直接接触从金属块传递到木块。结果，金属块失去了一些热能，而木块获得了热能。

傅里叶定律  

通过导热的传热速率可以使用傅里叶定律来计算，该定律指出：

“传热速率与材料上的温度梯度和材料的导热性成正比。”

简单来说，

“热通量与温度梯度成正比。”

参见上图（上面图片中）中傅里叶定律的公式。总之，导热是物体通过直接接触发生的传热方式。它在许多工程应用中很重要，并且可以通过调整使用的材料和物体之间的接触表面积来控制。

对流是一种在流体（如水和气体）中发生的传热方式。它是热流体（或气体）从一个地方移动到另一个地方，同时携带热量。这种运动通常是由流体内部的温度或密度差异引起的。对流有两种方式：自然对流和强制对流。

自然对流

自然对流是由温度差异引起的浮力驱动的流体运动。例如，当炉子上加热一锅水时，锅底的水会变热并膨胀，变得比上面的较冷水轻。这导致热水上升到锅顶部，较冷水下沉到底部，形成对流电流。

强制对流

强制对流是由外部力量（如风扇或泵）驱动的流体运动。例如，当空气被吹过一个热物体，如计算机处理器时，物体的热量被传递到空气中。然后，空气的运动被风扇强制，将热量从物体带走并散发到周围环境中。

可以使用牛顿冷却定律来计算通过对流的传热速率。

牛顿冷却定律

牛顿冷却定律：

物体的热量损失速率与物体与其周围环境之间的温差成正比。  

辐射是一种通过电磁波传递热量的传热方式，它可以在真空或任何透明介质（如空气或玻璃）中传播。与需要物理介质的导热和对流不同，辐射可以在真空中发生，例如在太空中。所有温度高于绝对零度（-273.15°C或0开尔文）的物体都会以电磁波的形式发出热辐射。辐射的数量和波长取决于物体的温度和发射率。

发射率是衡量物体发射辐射能力的一个指标，值为1表示完美的发射体，值为0表示完美的反射体。

除了发射辐射，物体还可以吸收周围环境的辐射。吸收的辐射量取决于辐射的波长和物体的吸收率。

吸收率是衡量物体吸收辐射能力的一个指标，值为1表示完美的吸收体，值为0表示完美的透射体。

斯特藩-玻尔兹曼定律

斯特藩-玻尔兹曼定律Stefan-Boltzmann law：

斯特藩-玻尔兹曼辐射定律控制着辐射发出的传热速率。斯特藩-玻尔兹曼定律是辐射传热中的一个重要方程，它描述了物体的温度与它发出热辐射速率之间的关系。它由下面的方程（见下面的图片中）给出：

辐射在许多工程应用中很重要，如在设计热绝缘和太阳能系统。了解辐射的工作原理可以帮助工程师设计更有效、更有效的系统，同时也提高了我们对自然现象的理解，如地球的能量平衡和恒星的行为。

传热中有几个重要公式，用于计算与传热相关的各种参数。以下是一些最常用的公式：

傅里叶定律：这个公式描述了通过材料的热传导速率。它可以写成：

q = -kA(dT/dx)

其中q是热通量，k是材料的导热性，A是材料的横截面积，dT/dx是温度梯度。

牛顿冷却定律：这个公式描述了固体表面与流体之间的传热速率。它可以写成：

q = hA(Ts – Tf)

其中q是传热速率，h是传热系数，A是表面积，Ts是固体表面的温度，Tf是流体的温度。

传热系数：这个公式描述了单位时间和单位表面积的表面传热量。它可以写成：

h = q/(A(Ts – Tf))    

其中h是传热系数，q是传热速率，A是表面积，Ts是固体表面的温度，Tf是流体的温度。

毕托管数：这个公式描述了传热过程中内部阻力与外部阻力的比率。它可以写成：

Bi = hL/k

其中Bi是毕渥数，h是传热系数，L是特征长度尺度，k是导热性。

努塞尔数：这个公式描述了对流的传热系数。它可以写成：

Nu = hL/k

其中Nu是努塞尔数，h是传热系数，L是特征长度尺度，k是导热性。

雷诺数：这个公式描述了流体中惯性力与粘性力的比率。它可以写成：

Re = ρVL/μ

其中Re是雷诺数，ρ是流体的密度，V是流体的速度，L是特征长度尺度，μ是动态粘度。

这些公式对于理解和设计各种工业中的传热操作至关重要，如化学工程、机械工程和材料科学。

传热操作在许多工业和应用中广泛使用。传热操作用于许多不同的工业和应用。在制造业中，传热用于熔化和成型材料，如生产玻璃或金属。在能源生产中，传热用于将燃料转化为能源，如燃烧化石燃料或核反应。在运输中，传热用于冷却发动机和排气系统，以及为车辆的驾驶室提供热量。以下是一些例子：

暖通空调（HVAC）系统：传热操作用于HVAC系统，以维持舒适的室内温度和空气质量。这些系统使用对流，有时使用辐射，在建筑物内的空气和其他表面之间传递热量。例如，散热器或踢脚板加热器通过对流传热来加热房间。

发电：传热操作用于发电，将热能转化为电能。在热电厂中，通过燃烧化石燃料或核反应产生的热加热水产生蒸汽。然后使用蒸汽驱动涡轮机发电。这个过程涉及导热、对流和辐射。

化学加工：传热操作用于化学加工，以控制反应温度并促进流体之间的热交换。例如，换热器用于在两种流体之间传递热量，如在化学加工中冷却或加热。

食品加工：传热操作用于食品加工，以保存食品，提高其质量并增强其风味。例如，巴氏杀菌使用传热来杀死食品中的有害细菌并延长其保质期。

汽车工业：传热操作用于汽车发动机，以维持发动机部件的最佳工作温度。散热器和冷却系统将热量从发动机带走，防止过热。

电子工业：传热操作用于电子工业，以冷却电子元件并防止它们过热。散热器、风扇和其他冷却系统用于将热量从元件带走并维持其工作温度。    

这些只是传热操作在各个工业中的众多应用中的一些例子。传热操作在许多流程和系统的高效和安全运行中起着至关重要的作用。

总之，传热操作是许多工业和工程过程的重要组成部分。了解不同类型的传热以及它们的应用和局限性对于确保这些过程的成功和效率至关重要。通过优化传热，工程师可以提高系统的性能、安全性和成本效益，并最终为技术和工业的进步做出贡献。有效的传热对许多工程过程的成功至关重要，因为它可以影响系统的性能、安全性和成本效益。工程师必须仔细考虑给定应用所需的传热类型，以及系统的材料和设计，以实现预期的结果。

来源：CFD饭圈

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