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对流传热的内容分析
化学生物学专业 学生：蒲金远 指导老师：彭刚
摘要 对流传热是在流体流动过程中发生的热量传热现象。工业生产当中遇到的对流传热，常指间壁式换热器中两侧流体与固定壁面进行的热交换，即热流体将热量传给固体壁面，再由固体壁面将热量传给冷流体，这种传热亦常称为给热。因为它是依靠流体质点的移动进行热量传递的，故对流体传热与流体状况密切相关。
关键词 对流传热 流体
一． 对流传热分析
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。
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。
综上所述，对流传热是以层流底层的导热和层流底层以外的以流体质点做相对位移与混合为主的传热的总称。为了处理问题方便，一般将有温度梯度存在的区域，即层流底层和过度区称做传热边界层，传热的热阻主要集中在层流底层。图1-1表示。

二． 影响对流热的因素
　对流传热既有分子间的微观热传导作用, 又有流体宏观位移的热对流作用, 是一种复杂的热传递过程, 以牛顿冷却定律Q = A$t 来计算通过传热面的传热量Q, 虽然形式简单, 但影响对流传热的许多因素都归纳到对流传热系数之中了, 使得A的变化错综复杂, 难以确定。具体地说, 对流传热与以下几方面有关。
1. 流体的性质
影响流体对流传热的主要性质有粘度、比热、导热系数等, 这些物性大多又是温度的函数。温度的变化, 使流体的性质发生变化, 引起流道任一截面上的速度分布和温度分布改变,从而影响对流传热。速度分布与温度分布改变的实质是流动边界层厚度和热边界层厚度的变化。
不同流体的物性随温度而变的规律不同, 对于气体, 比热只随温度轻微变化, 但是导热系数与粘度均随温度同等程度的改变, 因此普朗特准数CPL/ K不随温度显著变化。大多数液体的比热和导热系数与温度关系不大, 但是粘度却显著地随温度的升高而减少。因此, 液体的普朗特准数以与粘度相同的方式随温度变化。
总之, 物性随温度变化的一般影响在于改变流体的速度分布与温度分布, 从而给出不同物性的传热系
数。
2　流体的流动状况
管内流体强制流动时, 流型不同则传热规律不同, 所以计算传热系数的公式也不同。
2. 1　湍流时的传热( Re> 10000)
湍流时除贴壁的滞流内层外, 湍流核心的速度分布和温度分布较为平坦, 主要热阻存在于滞流内层中, 由于滞流内层极薄, 温度梯度甚大, 所以湍流传热强度远远超过滞流。
2. 2　滞流时的传热( Re< 2000)
流体与管壁发生强制对流传热时, 如果管子内径和温差均较小, 则可忽略附加的自然对流的影响。同时, 若流体又有较大的粘性, 则易出现严格的滞流。前已述及, 滞流时的对流传热热阻较大, 对流传热系数A远比湍流时的小。工程上, 虽然多数流型属于湍流, 但在深冷系统和紧凑式换热器中仍存在着滞流对流传热。
3　强制对流与自然对流
流动的起因可分为强制对流和自然对流两大类。
3. 1　强制对流
对于强制对流, 若忽略自然对流的影响, 其一般准数关系式为Nu= f ( Re、Pr ) 。在一定的范围内, 这个关系式可整理成如下形式:
Nu= CRemPrn , 式中Nu 称努塞尔特准数, 系数C、指数m、n 依不同情况由实验测定。
3. 2　自然对流
自然对流传热系数的大小与流体的物性, 传热面的大小、形状及位置等有关, 情况比较复杂, 其一般准数关系式为: Nu= f( Gr 、Pr) , 式中Gr 称格拉霍夫准数。
4　传热壁面的影响
流体强制绕流物体表面的对流传热过程, 也是工程上经常遇到的。一类是流体绕流平板或曲度较小的表面的传热; 另一类是流体横向绕流管道的对流传热。绕流物体外表面的几何形状不同, 使绕流物体外的速度分布与温度分布也不同, 从而影响了对流传热过程。不同情况的绕流需要采用不同的公式计算。
4. 1　沿平板( 或曲度较小的表面) 流体时的传热
波尔汉森( E. Pohlhansen) 利用布拉修斯( Blasius) 求得的边界层速度分布得到了流体沿平板强制滞流流动的局部传热系数A′x 的准数关联式:

A′
x ·x
Km = 0. 332Re1/ 2
mx Pr1/ 3
m 　　　0. 6< Prm < 60式中　　x —— 流体沿平板流动时的长度, 　m——定性温度。
柯尔朋利用动量和热量传递的雷诺类比律, 得到了流体沿平板强制湍流的局部传热系数A″
x 的准数方
程式:
　　A″
x ·x
Km
= 0. 0288Re4/ 5
mx Pr1/ 3
m 　　0. 6< Prm< 60
4. 2　横向绕流单管时的传热
和流体顺向流过平板相似, 流体横向绕流单管时, 在紧邻管壁处形成边界层, 并不断发展。由于壁面形状不同, 在壁面的后部具有边界层分离的特点, 而且分离点的位置对传热有很大的影响, 分离的位置, 主要取决于象征惯性力与粘性力之比的Re 准数大小。若Re≤2×105, 分离点前的边界层为滞流边界层, 分离点约发生于Á = 80°;若Re≥2×105 , 边界层为湍流边界层, 分离点移止Á = 140°。
由于流体绕管道的流动情况复杂, 尤其是具有分离流动的部分, 目前尚无法作数学描述, 因此主要依靠实验来揭示传热现象, 并求解传热系数。
4. 3　横向绕流管束时的传热
流体与管束间的传热现象在工程上更为普遍, 例如列管式换热器中流体绕流管束时的传热等。影响流体和管束壁面间传热系数A的因素除上面所述以外, 还有流体绕流管束的湍流程度。因此, 管束的几何条件, 即管径、管距、排数和排列方式等都与传热系数有密切关系。流体流过管束时, 在沿管排的一定范围内,由于上排管对下排管的影响, 流体的扰动性不断增强, 对传热系数的提高有促进作用。
5　其它因素影响
5. 1　入口效应
流体流入管口后, 热边界层有同流动边界层相似的发展情况, 它沿管流方向不断增厚而充满整个管道。由于流动边界层与热边界层均薄, 局部传热系数较大。
5. 2　弯管的二次环流
在弯曲段, 由于离心力的作用, 沿截面会产生二次环流而加强流体的扰动与混合, 使传热增强。一般传热设备中, 因管段弯头的长度在总体中所占的比例较小, 上述影响可忽略。
三．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，m2
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。
四．传热种类
1.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。
2.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。
五．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

截面上流体的温度分布[4]
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。

六．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

自然对流[1]
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。

七．对流系数
1.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/㎡℃
2.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。
八．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。
参考文献
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2． 热量传递的三种基本方式 ．西安交通大学能源与动力工程学院 [引用日期2013-03-3] ．
3． 第三节 对流传热 ．山东农业大学机械与电子工程学院 [引用日期2013-03-3] ．
4． 对流传热特点分析 ．中国职业教育与成人教育网 [引用日期2013-03-3] ．
5． 传热的基本方式 ．中国职业教育与成人教育网 [引用日期2013-03-3] ．
6． 对流传热系数 ．百度百科 [引用日期2013-05-27]
7. 崔恩选主编, 化学工艺学, 北京: 高等教育出版社, 1990, 34- 56.
8. 姚玉英主编, 化工原理, 天津: 天津科技出版社, 1992, 206- 303.
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