对流传热
对流传热
摘要：依靠流体微团的宏观运动而进行的热量传递。这是热量传递的三种基本方式之一。化工生产中处理的物料大部分是流体，流体的加热和冷却都包含对流传热。在化工生产中，对流传热在习惯上专指流体与温度不同于该流体的固体壁面直接接触时相互之间的热量传递。这实际上是对流传热和热传导两种基本传热方式共同作用的传热过程。例如间壁式换热器中的流体与间壁侧面之间的热量传递，反应器中固体物料或催化剂与流体之间的热量传递，都是这样的传热过程。
关键词：热量传递、流体、固体壁面、传热过程。
1对流传热速率方程和对流传热系数
1.1对流传热速率方程
以热流体和壁面间的对流传热为例，对流传热速率方程可以表示为
dS T T dS T T dQ w w )(1
-=-=αα (1-1)
式中 dQ —局部对流传热速率，W ；
dS —微分传热面积，m 2；
T －换热器的任一截面上热流体的平均温度，℃；
T w —换热器的任一截面上与热流体相接触一侧的壁面温
度，℃；
α－比例系数，又称局部对流传热系数，W ／(m 2·℃)。
方程式1-1又称牛顿(Newton)冷却定律。
1.2对流传热系数
牛顿冷却定律也是对流传热系数的定义式，即 t S Q
?=α
由此可见，对流传热系数在数值上等于单位温度差下、单位传热面积的对流传热速率，其单位为W ／(m 2·℃)，它反映了对流传热的快慢，α愈大表示对流传热愈快。
对流传热系数α与导热系数人不同，它不是流体的物理性质，而是受诸多因素影响的一个系数，反映对流传热热阻的大小。
表4-1 对流传热系数数值的范围
传热方式 对流传热系数 W/（m2·K）
空气自然对流 5 ～ 25
气体强制对流 20 ～ 100
水的自然对流200 ～1000
水的强制对流1000 ～ 15000
油类的强制对流50 ～ 1500
水蒸气的冷凝5000 ～ 15000
有机蒸汽的冷凝500 ～ 2000
水的沸腾2500 ～ 25000
2影响对流传热系数的因素
2.1 α的物理意义
α的物理意义是，当流体截面平均温度与壁面温度的差值为1?C时，单位时间通过单位传热面积传递的热量。与导热系数λ不同，对流传热系数α的值不仅与流体的性质有关，还与流动状态以及传热壁面的形状、结构等有关，此外，同流体在传热过程中是否发生相变化也有关。α的大小反映了该侧流体对流传热过程的强度，因此，如何确定不同条件下的α值，是对流传热的中心问题。还应指出，在不同的流动截面上，如果流体温度和流动状态发生改变，α值也将发生变化。因此，在间壁换热器中，常取α的平均值作为不变量进行计算。
2.2实验表明，影响对流传热系数的主要因素有：
（1）流体的状态：液体、气体、蒸汽及在传热过程中是否胡相变化。胡相变化时对流传热系数比无相变化时大的多；
、导热系数λ、（2）流体的物理性质：影响较大的物性胡密度р、比热C
p
粘度μ等；
（3）流体的运动状况：层流、过渡流或湍流；
（4）流体对流的状况：自然对流，强制对流；
（5）传热表面的形状、位置及大小：如管、板、管束、管径、管长、管子排列方式、垂直放置或水平放置等。
由上述分析可见，影响对流传热的因素很多，故对流传热系数的确定是一个极为复杂的问题。在一般情况下，对流传热系数沿不能推导出理论计算式，而只能通过实验测定。
3对流传热机理
3.1对流传热分析
流体的运动对传热过程有强烈影响。当边界层中的流动完全处于层流状态时，垂直于流动方向上的热量传递虽然只能通过流体内部的导热，但流体的流动造成了沿流动方向的温度变化，使壁面处的温度梯度增加，因而促进了传热。当边界层中的流动是湍流时，壁面附近的流动结构包括湍流区、过渡区和层流底层。湍流区垂直于流动方向上的热量传递除了热传导外，主要依靠不同温度的微团之间剧烈混合，即依靠对流传热。此传递机理与湍流区中的动量传递机理十分类似3.2热边界层
正如流体流过固体壁面时形成流动边界层一样，若流体自由流的温度和壁面的温度不同，必然会形成热边界面(又称温度边界层)。平板上热边界层的形成和发展如图3-1示。
图3-1的热边界层
由图可以看出，热边界层愈薄则层内的温度梯度愈大。若紧靠壁面附近薄层流体(滞流内层)中的温度梯度用(dt ／dy)。表示，由于通过这一薄层的传热只能是流体间的热传导，因此传热速率可用傅立叶定律表示，即
w dy dt dS dQ )(λ-= (3-1) 式中λ—流体的导热系数，W ／(m ·℃)
y —与壁面相垂直方向上的距离，m ；
w
dy dt ???? ??—壁面附近流体层内温度梯度，℃／m 。
w w w dy dt t dy dt T T )()(?-=--=λλ
α (3-2)
式3-2传热系数α的另气定义式。该式表明，对于一定的流体和温度差，只要知道壁面附近的流体层的温度梯度，就可由该式求得α。热边界层的厚薄影响层内的温度分布，因而影响温度梯度。当边界层内、外侧的温度差一定时，热边界层愈薄，α就愈大。反之则相反。
4流体无相变时的对流传热系数
4.1直管内作强制湍流
4.1.1低粘度（大约低于2倍常温水的粘度）流体
（4-1） （4-2）
n
r e u P R N 8.0023.0=n r P du d 8.0023.0???
? ??=μρλα或
4.1.2 高粘度的液体
（4-3） 4.2内作强制滞流
（4-4） 4.3流体在圆形直管内呈过渡流
对于Re=2300~10000时的过渡流范围， 先按湍流的公式计算α，然后再乘以校正系数f 。 （4-5）
5流体有相变时的对流传热系数 蒸汽在垂直管外或垂直平板侧的冷凝
假设： ① 冷凝液的物性为常数，可取平均液膜温度下的数值。 ② 一蒸汽冷凝成液体时所传递的热量，仅仅是冷凝潜热 ③ 蒸汽静止不动，对液膜无摩擦阻力。
④ 冷凝液膜成层流流动，传热方式仅为通过液膜进行的热传导。
（5-1）
参考文献
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