如何计算对流传热系数

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。

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：

式中εh称涡流热扩散系数(与流体的流动状况有关)；λ为热导率;cp、ρ分别为流体的等压比热容和密度;dT/dy为垂直于流动方向的温度变化率。由于εh一般比λ大得多,故湍流区的对流传热热阻很小,所以此区的温度下降也很小。在层流底层中热量传递只能靠热传导。由于流体的热导率一般很小,所以即使该层很薄,仍是传热过程的主要热阻，相应的温度下降很大。过渡区的情况介于两者之间，对流传热和热传导的作用都不能忽略（见图）。

牛顿冷却定律 关于流体与壁面之间的传热虽然可从求解能量方程得到温度分布，然后计算热量通量和热流量；但在工程上常用简化处理办法,即将热流量φ与有关物理量的关系经验地表示为牛顿冷却定律：

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）。

对流传热系数也称对流换热系数。对流换热系数的基本计算公式由牛顿于1701年提出，又称牛顿冷却定律。牛顿指出，流体与固体壁面之间对流传热的热流与它们的温度差成正比，即：

q = h*(tw-t∞)

Q = h*A*(tw-t∞)=q*A

式中：

q为单位面积的固体表面与流体之间在单位时间内交换的热量，称作热流密度，单位W/m^2；

tw、t∞分别为固体表面和流体的温度，单位K；

A为壁面面积，单位m^2；

Q为面积A上的传热热量，单位W；

h称为表面对流传热系数，单位W/(m^2.K)。

对流换热系数的大致量级（单位：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