[科普中国]-对流传热

定义

对流仅发生于流体中，它是指由于流体的宏观运动使流体各部分之间发生相对位移而导致的热量传递过程。由于流体间各部分是相互接触的，除了流体的整体运动所带来的热对流之外，还伴生有由于流体的微观粒子运动造成的热传导。在工程上，常见的是流体流经固体表面时的热量传递过程，称之为对流传热。

对流传热通常用牛顿冷却定律来描述，即当主体温度为tf的流体被温度为tw的热壁加热时，单位面积上的加热量可以表示为q=a(tw-tf)，当主体温度为tf的流体被温度为tw的冷壁冷却时，有q=a(tf-tw)式中q为对流传热的热通量，W/m2；a为比例系数，称为对流传热系数，W/(m2·℃)。牛顿冷却公式表明，单位面积上的对流传热速率与温差成正比关系。

基本原理原理在工程上，对流传热是指流体固体壁面的传热过程，它是依靠流体质点的移动进行热量传递的。因此与流体的流动情况密切相关。热流体将热量传给固体壁面，再由壁面传给冷流体。由流体力学知，流体流经圆体壁面时，在靠近壁面处总有一薄层流体顺着壁面做层流流动，即层流底层。当流体做层流流动时，在垂直于流动方向的热量传递，主要以热传导方式进行。由于大多数流体的导热系数较小，故传热热阻主要集中在层流底层中，温差也主要集中在该层中。而在湍流主体中，由于流体质点剧烈混合，可近似的认为无传热热阻，即湍流主体中基本上没有温差。在层流底层与湍流主体之间存在着一个过渡区，在过渡区内，热传导与热对流均起作用使该区的温度发生缓慢变化。3

所以，层流底层的温度梯度较大，传热的主要热阻即在此层中，因此，减薄层流底层的厚度δ是强化对流传热的重要途径。在传热学中，该层又称为传热边界层（Thermal Boundary Layer）。3

速率方程式从对流传热过程的分析可知这一个复杂的传热过程影响对流传热速率的因素很多，为了方便起见，工程上采用一种简化的方法，即将流体的全部温差集中在厚度为δ的一层薄膜内，但薄膜厚度θ难以测定，所以用α代替λ/δ将对流传热速率写成如下形式：

此式称为对流传热速率方程式，亦称牛顿冷却定律。

式中：Φ－对流传热速率。（热流量rw）

A—传热面积，

ΔT—对流传热温度差（℃/K）

Tw—与流体接触的壁面温度，℃

T—流体的平均温度

α－对流传热系数

R—对流传热热阻，℃/W

并非理论推导，而是一种推论。即假设单位面积传热量与温度差ΔT成正比。－将所有复杂的因素都转移到对流传热系数α中去了。3

影响因素①流体在传热过程中有无相变、汽化、冷凝。

②流体的流动状态和起因。

③流体流动的原因：强制对流、自然对流。

④物体的物理性质：ρ、Cp、λ、μ、体积膨胀系数等。

⑤传热表面的形状、位置及大小等。3

传热种类沸腾传热液体和高于其饱和温度的壁面接触时就会产生沸腾，此时，壁面向流体放热的现象称为沸腾传热。对液体加热时，在液体内部伴有由液相变成汽相而产生气泡的进程称为沸腾。

沸腾产生的方法：将加热壁面浸没在液体中，液体在壁面处受热沸腾，称为大容器沸腾。液体在管内流动时受热沸腾，称为管内沸腾。3

冷凝传热当饱和蒸气与低于饱和温度的壁面相接触时，蒸气将放出潜热，并冷凝成液体。

蒸汽冷凝的方式：膜状冷凝（film-type condensation）和滴状冷凝 (dropwise condensation)。

若冷凝液能润湿壁面并能形成一层完整的液滴，称膜状冷凝由于表面张力的作用，冷凝在壁面上形成许多液滴最终会形成膜状冷凝。3

特点分析当流体沿壁面作湍流流动时，在靠近壁面处总有一滞流内层存在。在滞流内层和湍流主体之间有一过渡层。右图表示了壁面一侧流体的流动情况以及和流动方向垂直的某一截面上流体的温度分布情况。

在湍流主体内，由于流体质点湍动剧烈，所以在传热方向上，流体的温度差极小，各处的温度基本相同，热量传递主要依靠对流进行，传导所起作用很小。在过渡层内，流体的温度发生缓慢变化，传导和对流同时起作用。在滞流内层中，流体仅沿壁面平行流动，在传热方向上没有质点位移，所以热量传递主要依靠传导进行，由于流体的导热系数很小，使滞流内层中的导热热阻很大，因此在该层内流体温度差较大。

由以上分析可知，在对流传热（或称给热）时，热阻主要集中在滞流内层，因此，减薄滞流内层的厚度或破坏滞流内层是强化对流传热的重要途径。

对流类型对流传热是指不同温度的流体质点在运动中的热量传递。由于引起流体运动的原因不同，对流分为自然对流和强制对流。若由于运动是因流体内部各处温度不同引起局部密度差异所致，则称为自然对流。若由于水泵、风机或其它外力作用引起流体运动，则称为强制对流。但实际上，热对流的同时，流体各部分之间还存在着导热，而形成一种复杂的热量传递过程。

对流系数定义对流传热系数α：在对流传热过程中由牛顿冷却定律定义热流密度q与ΔT成正比，比例系数即为对流传热系数（或给热系数）

α=q/ΔT，单位W/(㎡℃)

描述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。而在实际的模型理论中确实采用膜理论，即在流体流动的一侧，如冷流体的液膜侧（或热流体的液膜侧或气膜侧）由于流体流动，会出现湍流区与层流区，膜理论认为对流传热过程主要受层流区阻力所控制。

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。

类型按流体在传热过程中有无相态变化，对流传热分两类：①无相变对流传热。流体在换热过程中不发生蒸发、凝结等相的变化，如水的加热或冷却。根据引起流体质点相对运动的原因，对流传热又分自然对流和强制对流。自然对流是由于流体内各部分密度不同而引起的流动（如散热器旁热空气的向上流动）；强制对流是流体在外力（如压力）作用下产生的流动。强制对流时流体流速高，能加快热量传递，因而工程上广泛应用。②有相变对流传热。流体在与壁面换热过程中，本身发生了相态的变化。这一类对流传热包括冷凝传热和沸腾传热。

电场强化对流传热的热力学机理热量传递过程是工程热物理和化学工程领域的重要研究课题，强化传热过程是其中主要的研究方向。传统的强化换热方法主要是通过人工粗糙壁面、机械搅拌、振动、流体旋转等方式强化管内流体的强制对流换热。利用不同物理场之间的相互耦合来实现强化传热是近年发展起来的一种新的强化传热技术，具有效率高、应用广泛的优点。利用外场强化传递过程是目前的研究热点，其中利用电场强化传热是一种重要的技术手段，目前的研究和应用主要集中在电场强化沸腾成核等方面。4

电场作用下系统焓的物理意义是：电场不变时系统焓的增量等于系统从外界吸收的热，或焓的减少等于系统放出的热。电场强化对流传热过程的热力学机理可以用系统的焓和温度随外加电场的变化来说明；在等温过程中，系统的焓随电场增加而减少；在绝热过程中，系统的温度随电场增加而增加。如果在系统的热交换部位有电场作用，这个电场将通过改变系统的温度和系统的焓两个方面有效地强化传热过程。4