对流传热convective heat transfer
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。
对流传热机理 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。垂直于流动方向上的热量通量为:


φ=αAΔT
式中A为传热面积;ΔT为流体主体温度(横截面上的流体平均温度)与壁面温度之差;α为传热分系数,表示对流传热强度的一个参数,其倒数可表征对流传热的热阻。通过实验来测定φ和ΔT,而A为已知,即可由上式算出α,通常将实验结果整理成关联式,以供设计使用。对流传热的强化 由牛顿冷却定律可知,任何可提高传热分系数以及增大传热面积和温度差的措施,都能提高热流量。在工业生产中,物料温度由工艺决定,加热和冷却介质的温度又受技术和经济上的限制,因之传热温度差的增加通常是受限制的。在增大传热面积方面,可采用波纹板、翅片管、螺纹管、小直径管等,借以提高单位体积内的传热面积。而提高对流传热分系数,是强化对流传热最基本的方法。无相变对流传热时,热阻集中在层流底层,增强流体湍动或直接在层流底层中产生干扰,以减薄层流底层的厚度,是提高传热分系数的有效方法。提高对流传热分系数的措施包括增加壁面粗糙度,管内设置添加物(如插入螺旋圈片),气流中加入固体细粒,利用喷嘴产生射流等。有相变对流传热的机理与无相变的不同,需采取不同措施进行强化(见沸腾传热、冷凝传热)。
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