关于传热的概念，看这篇文章足够了

天玑算

在化学工程领域，传热是一个基本概念，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。

什么是传热？

传热，简单来说，是由于温差而处于传递中的能量。它是两个或多个物体之间交换热能的过程，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。无论是制造业、能源生产还是运输业，传热操作都是许多工程流程的关键部分。

传热有哪些方式？

传热主要有三种方式：导热、对流和辐射。1. 导热 Conduction：直接接触的能量传递

导热是热量通过材料直接传递的过程，材料本身没有任何运动。想象一下，金属勺放入热汤中，勺柄逐渐变热——这就是导热的典型例子。

固体中的分子排列紧密，能够通过分子间的碰撞快速传递能量。导热速率取决于材料的导热性、接触表面积和温差。金属具有高导热性，而木材等材料导热性较低。

傅里叶定律是描述导热的基本方程。

2. 对流 Convection：流体的能量传递

对流是热量通过流体（如水和空气）运动传递的过程。当我们煮沸一锅水时，底部热水上升，上部冷水下沉，形成循环，这就是对流。

对流分为两种类型：

• 自然对流：由温度差异引起的浮力驱动
• 强制对流：由风扇或泵等外部力量驱动
  
  

可以使用牛顿冷却定律来计算通过对流的传热速率。

3. 辐射 Radiation：电磁波的能量传递

辐射是通过电磁波传递热量的方式，它不需要物理介质，甚至可以在真空中传播。太阳热量到达地球就是最好的例子。

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。

斯特藩-玻尔兹曼定律表明，辐射传热速率与物体绝对温度的四次方成正比，这意味着温度微小变化会导致辐射传热的显著改变。

传热的主要公式

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。

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。

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。

h = q/(A(T_s – T_f))   

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

毕渥管数：这个公式描述了传热过程中内部阻力与外部阻力的比率。

Bi = hL/k

其中Bi是毕托管数，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。

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。

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。

传热的具体应用

传热操作在众多工业领域有广泛应用：

• 暖通空调系统：通过对流和辐射维持舒适室内环境
• 发电行业：将热能转化为电能
• 化学加工：控制反应温度，实现流体间热交换
• 食品加工：通过巴氏杀菌等工艺保证食品安全
• 汽车工业：维持发动机最佳工作温度
• 电子工业：防止电子元件过热
  
  

......

不会传热怎么办？

生活中的传热靠经验就能判断，但化工里的传热往往是 “多方式耦合 + 多物理场叠加”，比如要设计一个换热器：需要考虑流体的流速（影响对流系数）、管道的材质（影响导热系数）、流体的粘度（影响流动状态），还要避免结垢（结垢会增加导热阻力）…… 而COMSOL Multiphysics就是解决这类复杂传热问题的 “专业工具”。但不了解COMSOL的操作、不会建模、模拟结果和实际不符，不知道是参数设置错了还是网格划分有问题，这些问题都成了解决传热问题”拦路虎”。针对这些痛点，我们专门推出《COMSOL 仿真传热基础课程》，帮你打通 “理论 - 建模 - 实战” 的全流程：

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