什麼是熱傳遞？
熱傳遞是在具有不同溫度的實體系統之間，使用四種不同機制 (平流、傳導、對流及輻射)，以熱形式進行的熱能移動。從烹飪食物或冷卻筆記型電腦，到在發電廠發電，熱傳遞幾乎影響了現代生活的每個方面。每天，透過太陽輻射加熱地球是一種熱傳遞的過程，就像暴風雨是由地球大氣中的對流電流所引起一樣。
如熱力學第二定律所述，作為一種自然現象，熱傳遞會在兩個系統之間存在溫差的任何情況下發生。工程師也會使用熱傳遞裝置將能量以熱形式從一個地方移至另一個地方，進而在需要時提供熱，並在可能造成問題的地方去除熱。產品的安全、效率和效能透過將產品各部分的溫度保持在所需溫度範圍內實現。
熱傳遞基本概念
本質上，熱傳遞是將能量以熱形式從一個系統移至另一個系統。此學科研究以熱形式儲存或傳遞的能量數量，以及能量在系統中移動的不同方式。
以下是熱傳遞所使用的一些重要術語及其意義。
對流
對流是指流體因加熱而出現局部溫度升高和相應密度下降的現象。密度下降會產生浮力，使得較熱的流體上升，直到其冷卻為止。然後，隨著區域的冷卻，密度會降低，而流體區域會因負浮力而下降。在煮義大利麵的鍋中可以輕鬆看到這類對流，對流會讓麵食在水中發生扭轉、翻轉。
熱容量或熱質量
系統的熱容量是將系統溫度升高一度所需的熱量。熱容量越高，升高溫度所需的能量就越多。這在熱傳遞中很重要，因其會顯示材料對熱的反應，以及物體可加熱或冷卻的速度。
熱通量
熱通量測量的是通過單位面積的傳遞能量數量。其為總熱除以所測量表面的面積。這在熱傳遞中很重要，因其會告知工程師，從一個物體到另一個物體或從物體到流體的傳播能量數量。
生成熱
生成熱是透過多種程序產生熱能，其中包括化學反應、燃燒、核融合、核分裂、熱電、電阻、機械摩擦，或流體中的壓力變化。
熱對流係數
表面的熱對流係數 (h) 測量的是以下兩者之間的關係：表面和接觸表面的流體之間的熱通量，與表面和流體之間的溫差。如果您知道流體的速度和散熱性能，便可計算該值。其有時也稱為薄膜係數。
質量傳輸
就像熱傳遞處理從一個系統到另一個系統的熱移動一樣，質量傳輸會處理質量的移動。這在熱傳遞中很重要，因為在系統之間移動的任何質量都有內部熱能，且其會隨著質量一起移動。空氣在散熱器上移動，同時涉及質量傳輸和熱傳遞。
相變
當物質從一種狀態轉變為另一種狀態時，它會進行相變。嚴格來說，相變不是熱傳遞，但會與熱傳遞搭配使用，來控制系統中的溫度。發生相變的材料內部分子鍵的變化，會在從固態轉變為液態 (熔化) 或從液態轉變為氣態 (沸騰或汽化) 時吸收能量，並在從氣態轉變為液態 (冷凝) 或液態轉變為固態 (凍結) 時釋放能量。工程師經常使用相變來為系統去除或增加熱。
溫度
溫度是對振動及碰撞物體中原子與分子的動能進行的測量。
熱導率
材料的熱導率 (k) 是對該材料的導熱能力進行的測量。熱導率的倒數是熱阻率。
熱能或熱
熱是採用次原子粒子、原子和分子微觀運動形式的物質內部能量。溫度越高，能量越高。嚴格來說，熱僅指傳遞的熱能數量。但大部分人都會將熱與熱能互換使用。
熱平衡
熱平衡是指接觸的兩個物體位於相同溫度時的狀態。在達到熱平衡時，兩個物體之間的熱傳遞會停止。
熱力學
熱力學是物理學的一個分支，主要集中於熱、功和溫度及其如何影響系統的能量和熵，以及物質的物理特性。熱力學的四個定律會對此進行說明。熱傳遞物理學是熱力學的一部分，可處理物體之間的熱流動。
四種熱傳遞模式
系統之間的熱能移動可使用四種模式之一進行，以在熱從較高溫度物體流至較低溫度物體時傳遞能量。在大多數情況下，根據涉及的物體是彼此接觸、由液體包圍，還是彼此可見，會同時使用兩種或多種類型的熱傳遞。
以下是每種模式的簡短定義。
平流
熱平流是一種熱能傳遞機制，可透過流體的運動與動量，將熱從一個位置傳輸到另一個位置。有時會將平流稱為強制對流，以與對流的嚴格定義區分開，因為平流中的流體流動並非由浮力造成，而是透過為系統增加能量來實現。
冷卻電腦主機板的風扇是平流熱傳遞的一個範例。
熱傳導
熱傳導描述的是在兩個直接接觸的物體之間或某個物體內有溫差時進行的熱傳遞。其描述透過熱擴散進行的能量傳遞，如傅立葉熱傳導定律所述。能量傳遞的速度由材料的熱導率以及一或多個物體中的溫度梯度驅動。對於實體接觸中的兩個物體，兩個表面之間的壓力與配合可決定熱接觸電阻。
熱傳導的一個範例是爐子上鍋的手柄。熱從鍋的底部向上移到鍋壁，並移入手柄。
對流
對流或對流熱傳遞，是由於流體中溫差所導致產生的浮力驅動流體運動，而進行的熱能傳遞。工程師通常會將其稱為自由對流或自然對流，以與平流或強制對流區分開。
對流的一個常見範例是將一杯熱咖啡或茶放在外面。溫熱的飲料會將熱傳遞到空氣中，而浮力會將熱帶走。
輻射
輻射熱傳遞是一種將熱能作為電磁波/光子傳遞的機制。熱能會導致任何形式物質中的原子移動，且這些原子 (質子和電子) 中帶電粒子的移動會導致發射電磁輻射。因熱輻射而進行的熱傳遞，只會在真空中發生，或透過對因物體溫度而發射之紅外線波長而言為透明的介質發生。
熱傳應用
熱形式的能量可用來做功，或因溫差而對任何系統造成負面影響。工程師會應用熱傳遞基本概念來控制進入系統的熱能數量、視需要在系統內移動熱能，並使用一或多個傳遞機制從系統中去除熱能。
下文列出幾個較常見的熱傳遞應用。
烹飪
透過加熱的方式準備食物，使其安全且可食用。火最初作為熱源使用，對流與輻射熱傳遞的組合可將熱從燃燒燃料移至食物。
隨著時間的推移，烤箱的開發提供了一個高溫外殼，進而透過加熱空氣的對流與壁放射來烹飪食物。現代烹飪可使用電阻或電感作為熱源，來將能量傳遞至烹飪容器。氣炸鍋和對流烤箱是以下列形式使用平流的範例：風扇將高溫空氣吹過食物，來增加食物的熱通量，進而加快烹飪速度。
電子散熱管理
在現代生活中，另一個非常常見的熱傳遞應用是冷卻電子裝置。電子元件中的電阻會產生熱，且會使用各種熱傳遞方法來將熱從元件中移出。
最基本的情況是，像在手機中一樣，傳導用來將熱能從元件移至外殼與螢幕，而對流會將熱移至周圍空氣。對於電腦等較高溫度的裝置而言，散熱器的設計可提供較大的表面區域以進行對流，並在需要時使用平流，將風扇放入裝置中以提高空氣的動量，進而將熱移走並提高熱能傳輸係數。
加熱與冷卻
人類也已使用熱傳遞來設計能維持結構內部舒適溫度的裝置和材料：
- 建築物可使用隔熱材料來減少從結構內部到外部環境的熱傳遞。
- 窗戶上的塗層可減少通過窗戶的紅外線輻射量，且空調系統可使用相變來提取空氣中的熱，並將低溫空氣送回房間。
- 針對加熱，會使用燃燒或電力來加熱空氣或蒸汽，進而將加熱的流體傳輸到所需位置。
材料加工
從製造金屬合金，到從原油提煉石油產品，熱傳遞技術在大多數材料加工範例中都發揮著相當重要的作用。
在每種情況下，都會使用熱傳遞來取得並維持原料中的所需溫度，以實現所需相變、化學反應或冶金改性。研究並使用熱傳遞，以最佳化材料加工的效率，進而將所需能量數量降至最低。
汽車引擎
內燃機 (ICE) 會產生大量的熱。雖然少數引擎依賴空氣冷卻，但大部分都使用泵送的水來從由鋼或鋁製成的引擎體中吸收熱。
接著，流體會通過散熱器 (車輛前方的大型熱交換器)，在車輛移動時使用車速或者在車輛靜止或緩慢移動時使用風扇，將熱能透過平流傳遞到空氣中。
電動車輛傳動系統
電動車 (EV) 中的馬達和電池可產生大量的熱，需要從車輛中傳遞出來。有些系統的設計可使用傳導將熱從熱源中移出，然後使用液體的冷卻迴路將熱傳輸到散熱器。
太空船
太空中電子的冷卻和加熱，尤其是像太空船中 CMOS 相機等感應器的冷卻和加熱，是一項獨特的熱傳遞問題，因為沒有周圍空氣來傳遞熱能。設計必須平衡電子產生的熱、環境中的紅外線輻射、太陽吸收的熱，以及輻射到太空的熱。為了將太空中元件的溫度保持在適當操作範圍內，工程師可使用傳導、輻射、平流、熱產生或相變的組合。
模擬熱傳遞的建議
設計散熱管理系統的工程師非常依賴模擬來瞭解他們正在開發的系統及驅動其設計。與實體測試相比，模擬可更快地完成、在設計程序中更早地執行，並探索更多的情境。
在某些情況下，模擬可採用幾個方程式的形式。隨著系統變得更加複雜，工程師可採用有限元素分析 (FEA)、有限差分分析、計算流體動力學 (CFD) 和光線追蹤，為熱傳遞的傳導、對流/平流與放射模式建模。
以下是針對熱傳遞執行準確且有效率的模擬的一些建議。
1.判斷是否以及何時需要穩態或暫態解決方案
熱傳遞是一種時間依存現象，因為熱能需要花費時間在物體之間移動，直到達到熱平衡為止。在開始模擬之前，您應瞭解是否需要擷取系統的暫態行為，或是否只對符合穩態條件後的熱通量與溫度感興趣。
2.瞭解您的材料屬性
準確的熱傳遞計算非常依賴如熱導率、熱容量和發射率等材料屬性。使用 Ansys Granta 等工具取得及管理散熱材料屬性可能非常有用。
3.瞭解您的邊界條件和控制體積
熱傳遞模擬中最常見的錯誤來源之一，就是應用錯誤的邊界條件，或未在物體周圍定義正確的控制體積。在建立模型之前，請務必謹慎繪製出系統中每個區域的草圖，並確保您瞭解每個區域中的熱通量與熱產生。
4.準確擷取流體速度
自然與強制對流是用來管理系統中熱流動的兩種最常見熱傳遞模式，且從表面到流體的熱通量高度依賴於速度。
若速度已知，如 Ansys Mechanical 結構有限元素分析軟體等 FEA 計畫，或如 Ansys Thermal Desktop 以熱為中心的建模軟體等有限差分計畫，可使用熱能傳輸係數表示流體的對流熱傳遞。如有需要，可將流體簡化為 1-D 熱-流體網路，以便更準確地計算系統中流體的熱傳遞與速度。這在汽車引擎、噴射引擎、核電廠和太空船方面是常見的做法。
但在無法估計或簡化流體流動的複雜系統中，工程師會使用如 Ansys Fluent 軟體的完整 CFD 工具來準確預測流體流動，包括紊流、對流電流，以及不同流體的混合。將固體中準確的熱導率與流體行為結合的模擬，稱為共軛傳熱模擬。
5.盡可能簡化模型
經驗豐富的熱工程師是簡化熱傳遞模擬系統的專家。在許多情況下，都可以使用 1-D 網路模型來準確擷取系統的部分或全部熱行為。或者可以大幅簡化 3-D 幾何，因為較小特徵不會影響熱傳遞反應。
如 Thermal Desktop 等工具可在 CAD 幾何可供使用之前為早期設計研究建立簡易模型，並在 CAD 幾何藉由 Ansys SpaceClaim 中的 TD Direct變為可用時維持已簡化的簡化模型。
如 Ansys SpaceClaim 中的 TD Direct 等工具可大幅加速將複雜 CAD 幾何轉換為非常適合暫態熱分析的簡化模型。
6.利用電子垂直應用的功能
電子中的熱傳遞建模具有自己的特色，因此開發了如 Ansys Icepak 電子冷卻模擬軟體等工具，來專注於此重要領域。垂直應用瞭解業界特有的術語、幾何和邊界條件，且包含自動化模型建立和後處理步驟的方法。使用垂直應用不僅能夠節省時間，也能讓非專家更輕鬆地使用模擬。