工程资料 / THERMAL ENGINEERING
热工程基础资料
从传热方式到工程量的选择，建立计算前需要的基础。这里提供简明解释和相应工具。
三种传热方式
热量可以通过传导、对流和辐射传递。实际设备中，这些过程常常同时存在；计算前应先确定主要机制和边界条件。
导热
由温度差驱动，在介质内部或直接接触的物体之间传递热量。例如热量穿过墙体或管壁。
对流
流体运动与表面之间的传热过程。换热强弱受到流速、流体性质、表面几何和流动状态等影响。
辐射
物体通过电磁辐射交换能量，无需依靠中间介质。净辐射交换与表面温度及表面性质有关。
换热器传热与方法选择
阅读换热器工程入门指南 →：包含方法选择、算例和设计核查。
单相流体、稳态且比热近似恒定时，流体的显热变化可用 Q̇ = ṁcp(Tout − Tin) 估算。热流体放热与冷流体吸热的大小在忽略散热、储能及测量误差时应相近；先统一正负号和流量基准。相变、显著变物性或反应需要其他模型。
已知端点：对数平均温差
已知四个端点温度时，按并流或逆流正确配对两端温差 ΔT₁、ΔT₂，再求 ΔTlm = (ΔT₁ − ΔT₂)/ln(ΔT₁/ΔT₂)。两端温差相等时取共同数值作为极限。简单换热器可用 Q̇ = U A ΔTlm；U 和 A 必须采用同一传热面积基准。
两端温差应符合该工具的正温差条件；接近温差交叉或夹点时尤其需要核对流向和温度。多程或交叉流设备通常需要适用的温差修正方法，不能将简单并流或逆流结果直接当作完整设备设计。
未知出口：效能与 NTU
当入口温度、流量、热容率和 UA 已知而出口温度未知时，可先计算 C = ṁcp、Cmin、Cmax，取 Cr = Cmin/Cmax、NTU = UA/Cmin，再按设备流动形式求效能 ε。理论最大热流率为 Q̇max = Cmin(Th,in − Tc,in)，实际热流率为 εQ̇max；Cmin 与 Cmax 必须为正。
两种方法描述同一类传热问题，但已知信息不同；本网站 ε-NTU 工具限定单程理想并流或逆流、恒定热容率和 U、无相变与外部热损失。污垢、旁通、轴向导热、流量分配和压降等需要另行评估。
热阻与平壁导热
热阻用于描述温差与热传递之间的关系。以面积恒定的一维稳态平壁为例，单层均匀材料的导热热阻为：
其中 L 为厚度（m），k 为导热系数（W/(m·K)），A 为垂直于热流方向的面积（m²）。R 的单位为 K/W。多层平壁串联时，在上述假设下可将各层导热热阻相加。
该表达式只包含材料内部的导热热阻；如需考虑表面对流或接触热阻，应将这些环节明确纳入模型。
无量纲数与翅片
Re、Pr 和 Nu
雷诺数 Re = ρvL/μ 比较惯性与黏性影响；普朗特数 Pr = cpμ/k 比较动量与热扩散；努塞尔数 Nu = hL/k 表示对流换热相对于导热的强弱。密度 ρ、流速 v、动力黏度 μ、定压比热 cp 和流体导热系数 k 应对应同一状态，L 取所选几何及公式规定的特征长度。
本网站 Nu 工具由已知 h 计算 Nu；通过经验关联式反求 h 时，必须另行选择与流动几何、层流或湍流、热边界条件和 Re/Pr 范围匹配的关联式。流态临界值不能不加区分地用于所有几何。
Dittus–Boelter 工具用于满足限定条件的光滑直圆管内单相充分发展湍流；Re、Pr、管长与直径比以及物性变化须符合页面条件。它给出流体侧换热估算，不能代替完整换热器的总传热系数。
直翅片效率
翅片增加换热面积，但沿翅片温度一般低于根部温度。翅片效率比较实际传热量与整个翅片均处于根部温度时的理想传热量。均匀截面直翅片、绝热翅尖、恒定导热系数和对流系数的模型可写为 ηf = tanh(mL)/(mL)，其中 m = √(hP/(kAc))。h 趋近零时，效率的极限为 1。
该模型不自动考虑翅尖散热、辐射、接触热阻、变截面或非均匀表面换热；翅片效率也不等同于整块翅片表面的总效率。
热物性与状态
密度、比热、黏度和导热系数等性质会随工质和状态变化。查表或计算时，先确认数据对应的温度、压力、相态和单位，再判断是否适用于当前工况。
- 同一种物质在液态、气态和两相状态下不能直接共用同一组数值。
- 绝对压力与表压含义不同；使用依赖压力的物性模型时要确认输入定义。
- 比热、导热系数和黏度是不同物理量；不应将某一物性模型的适用范围默认套用到其他性质。
如何选取查表值
先确定流体或材料、相态、绝对压力与温度区间，再选择与模型要求对应的物性。密度应对应实际流量测量位置；对温度变化明显的情况，需按所用方法选择代表温度，必要时分段或采用变物性计算。插值只适用于数据许可和模型支持的区间，不能把外推结果当作已验证数据。
确认黏度是动力黏度还是运动黏度，并检查 Pa·s 与 mPa·s、J 与 kJ 等单位。本站水与干空气表仅提供 101.325 kPa 下列出的离散点，不是蒸汽或饱和表；不同压力、沸腾和两相状态应使用适用的数据。
单相水与过热蒸汽离散状态 · 查看饱和水与蒸汽输运性质及比热 →：列出饱和液水和干饱和蒸汽的离散端点，不插值。
查看水与干空气物性变化图 →：101.325 kPa 绝压下的离散数据点，不插值。
查看饱和水与蒸汽表 →：提供 5–200 °C 列出的饱和液体和干饱和蒸汽离散状态，不提供插值。
查阅工程材料热导率权威资料入口 →：链接至原始资料，本页面并非本站材料数值表；材料状态、适用范围和使用许可请核对原始资料。
湿空气基础
湿空气由干空气和水蒸气组成。湿度比通常以单位质量干空气所对应的水蒸气质量表示，常见单位是 kg/kg 干空气。
涉及两股空气混合时，需要使用一致的干空气质量基准，并结合能量与水分守恒。低于露点时可能发生凝结；不考虑凝结的简化模型不能用于该情形。
状态、露点和混合
干球温度、相对湿度和绝对压力可用于确定本网站模型中的湿空气状态。相对湿度会随温度变化，不能直接按两股流量加权；混合应对干空气质量、含湿量和焓采用一致基准。露点指给定压力和含湿量下达到饱和的温度。
本网站混合工具假定共同压力、稳态绝热且无凝结；若计算状态过饱和，工具不提供混合结果。涉及冷凝、潜热、液滴或除湿时，需要包含水分相变和能量平衡的模型。
阅读热应激、湿球与 WBGT 专题 →：湿空气模型的湿球温度不能直接作为职业 WBGT 或安全评价结果。
湿空气焓变化分项工具按选定虚拟路径划分空气侧显热项和含湿焓项；分项随路径变化，不能直接视为完整设备负荷。
工程估算与工具
工程计算依赖模型、数据和输入条件。工具适合对其适用范围内的问题进行估算；对于设备最终设计，应结合实际工况、可靠数据和适用规范复核。
例如：稳态单相流体质量流量 0.1 kg/s，平均定压比热 4200 J/(kg·K)，温度上升 10 K；若压力变化对焓的影响可忽略，温度相关焓流变化估算为 +4200 W。只有轴功、动能及势能变化和其他跨边界质量流可忽略时，才可近似为对流体的净传热功率。
基本设计检查
- 明确目的、系统边界、设计工况、可接受误差及输入数据来源。
- 确认质量流量与体积流量、动力黏度与运动黏度、表压与绝压，以及温度和面积基准。
- 核对热量守恒、温差方向、夹点和数量级；与手算或独立方法交叉检查。
- 分别评估压降、流量分布、污垢、材料耐温耐压、腐蚀与适用规范；简单传热计算不自动覆盖这些问题。
- 对物性、换热系数和工况的不确定度做敏感性分析，在实际设计中使用经审核的数据与方法。
相关计算工具
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