传热计算器

计算传导、对流和辐射模式的传热速率。

使用基本传热方程和原理分析不同材料和条件下的热能传递。

示例

点击任何示例将其加载到计算器中。

铜墙传导

传导

通过分隔热冷环境的铜墙的传热。

模式: 传导

T₁: 100 °C

T₂: 25 °C

面积: 2.0 m²

厚度: 0.02 m

k: 400 W/m·K

空气对流冷却

对流

从热表面到周围空气的自然对流传热。

模式: 对流

T₁: 80 °C

T₂: 20 °C

面积: 1.5 m²

厚度: 0.1 m

h: 15 W/m²·K

辐射传热

辐射

不同温度的两个表面之间的辐射传热。

模式: 辐射

T₁: 500 °C

T₂: 300 °C

面积: 1.0 m²

厚度: 0.5 m

ε: 0.85

复合墙体系统

复合

通过具有不同材料的多层墙体的传热。

模式: 传导

T₁: 150 °C

T₂: 30 °C

面积: 3.0 m²

厚度: 0.15 m

k: 0.8 W/m·K

其他标题
理解传热计算器：综合指南
探索传热的基本原理，学习如何计算不同材料和条件下的热能运动。本指南涵盖传导、对流和辐射的实际应用。

什么是传热？

  • 基本概念
  • 三种传递模式
  • 热能运动
传热是由于温度差异从一个物体或区域到另一个物体或区域的热能运动。这是自然界中发生的基本过程，对于理解热力学、工程系统和日常现象至关重要。热量总是从较高温度区域流向较低温度区域，直到达到热平衡。
传热的三种模式
传热通过三种不同的机制发生：传导、对流和辐射。传导涉及通过固体材料或静止流体通过分子碰撞的传热。对流发生在热量通过流体（液体或气体）运动传递时。辐射涉及通过电磁波的传热，不需要介质。
为什么传热计算很重要
准确的传热计算对于设计高效的加热和冷却系统、热绝缘、电子冷却、建筑能效和许多工业过程至关重要。理解传热速率有助于工程师优化系统性能、减少能耗并确保适当的热管理。
热性能和材料选择
不同材料具有不同的导热、储存和传递热量的能力。热导率、比热容和热扩散率是决定材料在热应用中行为的关键属性。此计算器帮助您理解这些关系并做出明智的材料选择。

常见热导率值 (W/m·K)：

  • 铜：400 - 优秀导体，用于热交换器
  • 铝：237 - 良好导体，轻量应用
  • 钢：50 - 中等导体，结构应用
  • 玻璃：1.0 - 不良导体，热绝缘
  • 木材：0.1 - 极差导体，天然绝缘

使用计算器的分步指南

  • 选择传递模式
  • 输入参数
  • 解释结果
有效使用传热计算器需要理解您的具体应用并选择适当的传递模式。按照以下步骤为您的热分析获得准确结果。
1. 选择适当的传递模式
首先，识别您系统中的主要传热模式。传导在固体和静止流体中占主导地位。对流发生在流体运动时。辐射在高温或真空条件下很重要。许多实际应用涉及多种模式，但通常一种占主导地位。
2. 收集准确的材料属性
从材料数据库、教科书或制造商规格中获得热导率、传热系数和发射率的可靠值。这些属性可能随温度显著变化，因此使用适合您温度范围的值。
3. 测量或估算几何参数
准确测量表面积、厚度和距离。对于复杂几何形状，使用等效或平均值。注意单位 - 计算器使用SI单位（米、摄氏度、瓦特）。
4. 分析和应用结果
计算器提供传热速率（瓦特）、热阻（K/W）和热通量（W/m²）。使用这些值评估系统性能、比较不同材料或优化热设计。

典型传热系数 (W/m²·K)：

  • 自然对流（空气）：5-25
  • 强制对流（空气）：25-250
  • 自然对流（水）：100-1000
  • 强制对流（水）：500-15000
  • 沸腾水：2500-35000

实际应用和工程设计

  • 建筑设计
  • 电子冷却
  • 工业过程
传热计算在众多工程应用中至关重要，从日常家用系统到复杂的工业过程。理解这些原理能够实现更好的设计和优化。
建筑能效
在建筑设计中，传热计算确定绝缘要求、HVAC系统尺寸和能耗。墙体、屋顶和窗户都涉及传导、对流和辐射。适当的热设计可以将加热和冷却成本降低20-40%。
电子热管理
现代电子产品产生大量热量，必须散热以防止过热和故障。散热器、热界面材料和冷却系统依赖于传导和对流计算。适当的热设计延长组件寿命并提高可靠性。
工业热交换器
热交换器在发电厂、化学加工和HVAC系统中至关重要。它们通过金属壁的传导在流体之间传递热量。计算确定热交换器尺寸、效率和运行参数。

常见误解和热学神话

  • 温度与热量
  • 绝缘神话
  • 热平衡
传热概念经常被误解，导致低效设计和关于热行为的错误假设。
神话：温度和热量相同
温度是分子动能的量度，而热量是热能的传递。高温的小物体可能比低温的大物体包含更少的热能。传热取决于温度差，而不是绝对温度。
神话：绝缘停止传热
绝缘不会停止传热；它会降低速率。即使最好的绝缘也允许一些热流。目标是将传热降低到应用可接受的水平。R值量化绝缘效果。
神话：黑色物体总是吸收更多热量
虽然黑色物体具有高发射率并且很好地吸收辐射，但它们的整体传热取决于模式。在传导中，颜色无关紧要。在对流中，表面粗糙度和几何形状比颜色更重要。

热设计技巧：

  • 对复杂系统使用热阻网络
  • 考虑温度相关的材料属性
  • 在组装系统中考虑接触电阻
  • 为关键应用包含安全系数

数学推导和高级概念

  • 傅里叶定律
  • 牛顿冷却定律
  • 斯特凡-玻尔兹曼定律
控制传热的基本方程是通过实验观察和理论分析开发的。理解这些方程提供了对热行为的洞察并实现高级计算。
傅里叶热传导定律
傅里叶定律指出传热速率与温度梯度和横截面积成正比：Q = -k × A × (dT/dx)。负号表示热量从高温流向低温。此定律适用于通过均匀材料的稳态传导。
牛顿冷却定律
牛顿定律描述对流传热：Q = h × A × (T表面 - T流体)。传热系数'h'取决于流体属性、流动条件和表面几何形状。此定律是热交换器设计的基础。
辐射的斯特凡-玻尔兹曼定律
斯特凡-玻尔兹曼定律控制热辐射：Q = ε × σ × A × (T₁⁴ - T₂⁴)。辐射在高温下变得重要，取决于绝对温度的四次方。发射率考虑了与理想黑体相比的真实表面行为。

关键热常数：

  • 斯特凡-玻尔兹曼常数 (σ)：5.67×10⁻⁸ W/m²·K⁴
  • 通用气体常数 (R)：8.314 J/mol·K
  • 玻尔兹曼常数 (k)：1.38×10⁻²³ J/K
  • 普朗克常数 (h)：6.63×10⁻³⁴ J·s