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對流換熱係數

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1原理介紹

流體與固體表面之間的換熱能力,比如說,物體表面與附近空氣溫差1℃,單位時間單位面積上通過對流與附近空氣交換的熱量。單位為W/(m^2·℃)。表面對流換熱係數的數值與換熱過程中流體的物理性質、換熱表面的形狀、部位、表面與流體之間的溫差以及流體的流速等都有密切關係。物體表面附近的流體的流速愈大,其表面對流換熱係數也愈大。如人處在風速較大的環境中,由於皮膚表面的對流換熱係數較大,其散熱(或吸熱)量也較大。對流換熱係數可用經驗公式計算,通常用巴茲公式計算。

2詳細內容

對流傳熱係數也稱對流換熱係數。對流換熱係數的基本計算公式由牛頓於1701年提出,又稱牛頓冷卻定律。牛頓指出,流體與固體壁面之間對流傳熱的熱流與它們的溫度差成正比,即:
q = h*(tw-t∞)
Q = h*A*(tw-t∞)
式中:
q為單位面積的固體表面與流體之間在單位時間內交換的熱量,稱作熱流密度,單位W/m^2;
tw、t∞分別為固體表面和流體的溫度,單位K;
A為壁面面積,單位m^2;
Q為面積A上的傳熱熱量,單位W;
h稱為表面對流傳熱係數,單位W/(m^2.K)。

3理論發展

對流換熱係數h的物理意義是:當流體與固體表面之間的溫度差為1K時, 1m*1m壁面面積在每秒所能傳遞的熱量。h的大小反映對流換熱的強弱。
如上所述,h與影響換熱過程的諸因素有關,並且可以在很大的範圍內變化,所以牛頓公式只能看作是傳熱係數的一個定義式。它既沒有揭示影響對流換熱的諸因素與h之間的內在聯繫,也沒有給工程計算帶來任何實質性的簡化,只不過把問題的複雜性轉移到傳熱係數的確定上去了。因此,在工程傳熱計算中,主要的任務是計算h。計算傳熱係數的方法主要有實驗求解法、數學分析解法和數值分析解法。
影響對流傳熱強弱的主要因素有:
1. 對流運動成因和流動狀態;
2. 流體的物理性質(隨種類、溫度和壓力而變化);
3. 傳熱表面的形狀、尺寸和相對位置;
4. 流體有無相變(如氣態與液態之間的轉化)。

4實例應用

在不同的情況下,傳熱強度會發生成倍直至成千倍的變化,所以對流換熱是一個受許多因素影響且其強度變化幅度又很大的複雜過程。
對流係數的大致量級:
空氣自然對流 5 ~ 25
氣體強制對流 20 ~ 100
水的自然對流 200 ~1000
水的強制對流 1000 ~ 15000
油類的強制對流 50 ~ 1500
水蒸氣的冷凝 5000 ~ 15000
有機蒸汽的冷凝 500 ~ 2000
水的沸騰 2500 ~ 25000
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