传热学 / Heat Transfer
研究热量传递规律。换热器设计、冷凝/蒸发计算、降本设计的核心学科。三个分支：导热、对流、辐射。
2.1 三种传热方式
| 方式 | 英文 | 机理 | 定律 | 典型应用 |
|---|---|---|---|---|
| 导热 | Conduction | 分子/晶格振动、电子运动 | 傅里叶定律 | 铜管壁、保温层 |
| 对流 | Convection | 流体宏观运动 | 牛顿冷却定律 | 蒸发器/冷凝器 |
| 辐射 | Radiation | 电磁波（不需介质） | 斯特藩-玻尔兹曼定律 | 高温散热、低温板换、辐射板 |
2.2 傅里叶定律 Fourier’s Law
Φ = -λ · A · (dT/dx)
Φ 热流量 (W)；λ 导热系数 (W/(m·K))；A 截面积 (m²)；dT/dx 温度梯度 (K/m)。铜 λ=401；铝 λ=237；不锈钢 λ=16；空气 λ=0.026；保温棉 λ=0.04。
2.3 牛顿冷却定律
Q = h_c · A · ΔT
h_c 对流换热系数 (W/(m²·K))。空气强迫对流 25-250；制冷剂水平管外凝结 5000-15000；蒸发器内沸腾 2500-5000；水在管内湍流 3000-10000。
2.4 辐射换热 Thermal Radiation
Q = ε · σ · A · (T_s⁴ - T_sur⁴)
斯特藩-玻尔兹曼 Stefan-Boltzmann Law。σ=5.67×10⁻⁸ W/(m²·K⁴)；ε 发射率；T 为热力学温度。低温辐射板采暖应用日增。
2.5 总传热方程 Overall Heat Transfer Equation
Q = K · A · ΔT_m
K 总传热系数 U 或 UA (W/(m²·K))；A 传热面积；ΔT_m 对数平均温差 (LMTD)。换热器设计的核心方程。
2.6 对数平均温差 LMTD
ΔT_m = (ΔT₁ - ΔT₂) / ln(ΔT₁ / ΔT₂)
当 ΔT₁ ≈ ΔT₂ 时退化为算术平均。顺流 Cocurrent 与逆流 Counterflow 下 LMTD 不同，逆流通常更大。
2.7 ε-NTU 法 Effectiveness-NTU Method
ε = Q_actual / Q_max = f(NTU, C_r)
NTU = UA / C_min, C_r = C_min / C_max
ε 换热器效能；NTU 传热单元数；C_r 热容比。ε-NTU 法适合一端温度未知的设计场景（例如冷凝器仅知冷凝温度），与 LMTD 法互补。
2.8 翅片理论 Fin Theory
- 翅片效率 η_f：
η_f = tanh(m·L_c) / (m·L_c)，m = √(h_c / (λ · δ)) - 翅片热阻 R_f：
R_f = 1 / (η_f · h_c · A_f) - 总效率 η_o：
η_o = 1 - (A_f/A_t)·(1-η_f)
2.9 两相流传热 Two-Phase Heat Transfer
- 沸腾曲线 Boiling Curve：自然对流 → 核态沸腾 Nucleate Boiling → 过渡沸腾 → 膜态沸腾 Film Boiling
- 凝结模式 Condensation Modes：滴状 Dropwise（h 高 5-10 倍）vs 膜状 Filmwise（设计常用）
- 两相流型 Two-Phase Flow Patterns：泡状 Bubbly、弹状 Slug、环状 Annular、雾状 Mist
2.10 强化传热技术 Heat Transfer Enhancement
- 被动 Passive：扩展表面、内插件、处理表面、纳米涂层
- 主动 Active：电磁场、振动、脉冲流动、射流冲击
- 复合 Compound：被动 + 主动组合
- 评价指标：综合性能因子 PEC = (h*/h) / (f*/f)
研发应用
- 换热器选型 HX Sizing：已知 Q，选 K（参考手册）、估算 LMTD，反求 A
- 翅片优化 Fin Optimization：增加翅片间距/厚度可提升 h_c 但减小 A，存在最优解
- 保温设计 Insulation Design：厚度 = λ_insul × (T_out - T_in) / q_target
- 除霜 Defrost：霜层导热热阻使换热能力下降 30-70%
- CFD 优化 CFD Optimization：Fluent/IcePak 模拟翅片通道
Concepts Referenced
LMTD, ε-NTU法, 翅片理论, 强化传热, 总传热方程
Entities Referenced
Notes
杨世铭《传热学》、Incropera《Principles of Heat and Mass Transfer》、Kays & London《Compact Heat Exchangers》。重点：复合传热 K 值、LMTD、翅片管换热器设计、凝结与沸腾换热、ε-NTU。研发 70% 的换热器计算都离不开它。
2024-2026 标准提示:ASHRAE 90.1-2025 / EU F-Gas 2024/573 / AIM Act 2025 / GB 19576。详见 暖通-2026更新 与 hvac-quick-ref。