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對流傳熱通常用牛頓冷卻定律來描述,即當(dāng)主體溫度為tf的流體被溫度為tw的熱壁加熱時,單位面積上的加熱量可以表示為q=a(tw-tf),當(dāng)主體溫度為tf的流體被溫度為tw的冷壁冷卻時,有q=a(tf-tw)式中q為對流傳熱的熱通量,W/m2;a為比例系數(shù),稱為對流傳熱系數(shù),W/(m2·℃)。牛頓冷卻公式表明,單位面積上的對流傳熱速率與溫差成正比關(guān)系。

在工程上,對流傳熱是指流體固體壁面的傳熱過程,它是依靠流體質(zhì)點(diǎn)的移動進(jìn)行熱量傳遞的。因此與流體的流動情況密切相關(guān)。熱流體將熱量傳給固體壁面,再由壁面?zhèn)鹘o冷流體。由流體力學(xué)知,流體流經(jīng)圓體壁面時,在靠近壁面處總有一薄層流體順著壁面做層流流動,即層流底層。當(dāng)流體做層流流動時,在垂直于流動方向的熱量傳遞,主要以熱傳導(dǎo)方式進(jìn)行。由于大多數(shù)流體的導(dǎo)熱系數(shù)較小,故傳熱熱阻主要集中在層流底層中,溫差也主要集中在該層中。而在湍流主體中,由于流體質(zhì)點(diǎn)劇烈混合,可近似的認(rèn)為無傳熱熱阻,即湍流主體中基本上沒有溫差。在層流底層與湍流主體之間存在著一個過渡區(qū),在過渡區(qū)內(nèi),熱傳導(dǎo)與熱對流均起作用使該區(qū)的溫度發(fā)生緩慢變化。

所以,層流底層的溫度梯度較大,傳熱的主要熱阻即在此層中,因此,減薄層流底層的厚度δ是強(qiáng)化對流傳熱的重要途徑。在傳熱學(xué)中,該層又稱為傳熱邊界層(Thermal Boundary Layer)。

速率方程式

從對流傳熱過程的分析可知這一個復(fù)雜的傳熱過程影響對流傳熱速率的因素很多,為了方便起見,工程上采用一種簡化的方法,即將流體的全部溫差集中在厚度為δ的一層薄膜內(nèi),但薄膜厚度θ難以測定,所以用α代替λ/δ將對流傳熱速率寫成如下形式:

此式稱為對流傳熱速率方程式,亦稱牛頓冷卻定律。

式中:Φ-對流傳熱速率。(熱流量rw)

A-傳熱面積,m2

ΔT-對流傳熱溫度差(℃/K)

Tw-與流體接觸的壁面溫度,℃

T-流體的平均溫度

α-對流傳熱系數(shù)

R-對流傳熱熱阻,℃/W

并非理論推導(dǎo),而是一種推論。即假設(shè)單位面積傳熱量與溫度差ΔT成正比。-將所有復(fù)雜的因素都轉(zhuǎn)移到對流傳熱系數(shù)α中去了。[1]

影響因素

①流體在傳熱過程中有無相變、汽化、冷凝。

②流體的流動狀態(tài)和起因。

③流體流動的原因:強(qiáng)制對流、自然對流。

④物體的物理性質(zhì):ρ、Cp、λ、μ、體積膨脹系數(shù)等。

⑤傳熱表面的形狀、位置及大小等。

液體和高于其飽和溫度的壁面接觸時就會產(chǎn)生沸騰,此時,壁面向流體放熱的現(xiàn)象稱為沸騰傳熱。

對液體加熱時,在液體內(nèi)部伴有由液相變成汽相而產(chǎn)生氣泡的進(jìn)程稱為沸騰。

沸騰產(chǎn)生的方法:

將加熱壁面浸沒在液體中,液體在壁面處受熱沸騰,稱為大容器沸騰。

液體在管內(nèi)流動時受熱沸騰,稱為管內(nèi)沸騰。

冷凝傳熱

當(dāng)飽和蒸氣與低于飽和溫度的壁面相接觸時,蒸氣將放出潛熱,并冷凝成液體。

蒸汽冷凝的方式:膜狀冷凝(film-type condensation)和滴狀冷凝 (dropwise condensation)。

若冷凝液能潤濕壁面并能形成一層完整的液滴,稱膜狀冷凝由于表面張力的作用,冷凝在壁面上形成許多液滴最終會形成膜狀冷凝。

在湍流主體內(nèi),由于流體質(zhì)點(diǎn)湍動劇烈,所以在傳熱方向上,流體的溫度差極小,各處的溫度基本相同,熱量傳遞主要依靠對流進(jìn)行,傳導(dǎo)所起作用很小。在過渡層內(nèi),流體的溫度發(fā)生緩慢變化,傳導(dǎo)和對流同時起作用。在滯流內(nèi)層中,流體僅沿壁面平行流動,在傳熱方向上沒有質(zhì)點(diǎn)位移,所以熱量傳遞主要依靠傳導(dǎo)進(jìn)行,由于流體的導(dǎo)熱系數(shù)很小,使滯流內(nèi)層中的導(dǎo)熱熱阻很大,因此在該層內(nèi)流體溫度差較大。

由以上分析可知,在對流傳熱(或稱給熱)時,熱阻主要集中在滯流內(nèi)層,因此,減薄滯流內(nèi)層的厚度或破壞滯流內(nèi)層是強(qiáng)化對流傳熱的重要途徑。

對流傳熱系數(shù)α:在對流傳熱過程中由牛頓冷卻定律定義熱流密度q與ΔT成正比,比例系數(shù)即為對流傳熱系數(shù)(或給熱系數(shù))

α=q/ΔT,單位W/㎡℃

描述

依靠流體微團(tuán)的宏觀運(yùn)動而進(jìn)行的熱量傳遞。這是熱量傳遞的三種基本方式之一。化工生產(chǎn)中處理的物料大部分是流體,流體的加熱和冷卻都包含對流傳熱。在化工生產(chǎn)中,對流傳熱在習(xí)慣上專指流體與溫度不同于該流體的固體壁面直接接觸時相互之間的熱量傳遞。而在實際的模型理論中確實采用膜理論,即在流體流動的一側(cè),如冷流體的液膜側(cè)(或熱流體的液膜側(cè)或氣膜側(cè))由于流體流動,會出現(xiàn)湍流區(qū)與層流區(qū),膜理論認(rèn)為對流傳熱過程主要受層流區(qū)阻力所控制。

這實際上是對流傳熱和熱傳導(dǎo)兩種基本傳熱方式共同作用的傳熱過程。例如間壁式換熱器中的流體與間壁側(cè)面之間的熱量傳遞,反應(yīng)器中固體物料或催化劑與流體之間的熱量傳遞,都是這樣的傳熱過程。

類型

按流體在傳熱過程中有無相態(tài)變化,對流傳熱分兩類:

①無相變對流傳熱。流體在換熱過程中不發(fā)生蒸發(fā)、凝結(jié)等相的變化,如水的加熱或冷卻。根據(jù)引起流體質(zhì)點(diǎn)相對運(yùn)動的原因,對流傳熱又分自然對流和強(qiáng)制對流。自然對流是由于流體內(nèi)各部分密度不同而引起的流動(如散熱器旁熱空氣的向上流動);強(qiáng)制對流是流體在外力(如壓力)作用下產(chǎn)生的流動。強(qiáng)制對流時流體流速高,能加快熱量傳遞,因而工程上廣泛應(yīng)用。

②有相變對流傳熱。流體在與壁面換熱過程中,本身發(fā)生了相態(tài)的變化。這一類對流傳熱包括冷凝傳熱和沸騰傳熱。