对流传热又称给热，是指利用流体质点在传热方向上的相对运动，将热量由一处传递至另一处。对流中总是伴有热传导。根据引起流体质点相对运动的原因不同，又可分为强制对流和自然对流。若相对运动是由外力作用( 如泵、风机、搅拌器等) 而引起的，称为强制对流;若相对运动是由流体内部各部分温度的不同而产生密度的差异，使流体质点发生相对运动的，则称为自然对流。
在间壁式换热器内，热量从热流体传到固体壁面，或从固体壁面传到冷流体，传热方式既有对流又伴随热传导，因此工程上把流体与壁面之间的热量传递统称为对流传热。
( 一) 对流传热的分析
图2-17 对流传热的分析
我们已经知道，当流体沿壁面作湍流流动时，在靠近壁面处总有一层流内层存在，在层流内层和湍流主体之间有一过渡层，如图2 -17 所示。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，热量传递主要依靠涡流传热，其热阻很小，传热速度极快。而在层流底层中，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，故热阻主要集中在层流内层中，因此温度差也主要集中在该层内。因此，减薄层流内层的厚度是强化对流传热的重要途径。
( 二) 对流传热基本方程——牛顿冷却定律
对流传热与流体的流动情况及流体的性质等有关，其影响因素很多。其传热速率可用牛顿冷却定律表示
式中:Q——对流传热速率，W;
α——对流传热膜系数( 或对流传热系数、给热系数) ，W/( m2·K) ;
A——对流传热面积，m2;
Δt——流体与壁面间温度差的平均值，K;
R——对流传热热阻，K/W。
当流体被加热时，Δt=tw -t;当流体被冷却时，Δt=t-tw。
牛顿冷却定律是将复杂的对流传热问题，用一简单的关系式来表达，实质上是将矛盾集中在α 上，因此，研究α 的影响因素及其求取方法，便成为解决对流传热问题的关键。
( 三) 对流传热膜系数
对流传热膜系数反映了对流传热的强度，α 越大，说明对流强度越大，对流传热热阻越小。
α 是受诸多因素影响的一个参数，表2 -6 列出了几种对流传热情况下的α 值，从中可以看出，气体的α 值最小，载热体发生相变时的α 值最大，且比气体的α 值大得多。
1.影响对流传热膜系数的因素 影响对流传热膜系数α 的因素有以下方面。
(1) 对流的形成原因。自然对流与强制对流的流动原因不同，其传热规律也不相同。一般强制对流传热时的α 值较自然对流传热的为大。
(2) 流体的性质。影响α 的物理性质有导热系数、比热容、黏度和密度等。对同种流体，这些物性又是温度的函数，有些还与压力有关。
(3) 相变情况。在对流传热过程中，流体有无相变对传热有不同的影响，一般流体有相变时的α 较无相变时的为大。
(4) 流体的运动状态。流体的Re 值越大，湍动程度越高，层流内层的厚度越薄，α 越大;反之，则越小。
(5) 传热壁面的形状、位置及长短等。传热壁面的形状( 如管内、管外、板、翅片等) 、传热壁面的方位、布置( 如水平或垂直放置、管束的排列方式等) 及传热面的尺寸( 如管径、管长、板高等) 都对α 有直接的影响。
2.无相变对流传热膜系数的关联式 由于影响α 的因素很多，要建立一个通式求各种条件下的α 是不可能的。通常是采用实验关联法获得各种条件下α 的关联式。流体无相变传热时的对流传热膜系数的关联式为
表2 -7 列出了有关各特征数的名称、符号及意义。
表2-7 特征数的名称及意义
(1) 在使用α 关联式时应注意以下几个方面:
①应用范围。关联式中Re、Pr、Gr 等特征数的数值范围。
②特征尺寸。Nu、Re 等特征数中l 应如何取定。(www.xing528.com)
③定性温度。确定各特征数中流体的物性参数所依据的温度。
随不同的条件，α 的关联式有多种。每一个α 关联式对上述三个方面都有明确的规定和说明。
(2) 无相变流体在圆直管内作强制湍流时的α 关联式如下。
①低黏度流体( 小于2 倍常温水的黏度) 。
式中，n 的取值方法是:当流体被加热时，n=0.4;当流体被冷却时，n=0.3。
应用范围:Re ＞10000，0．7 ＜Pr ＜120;管长与管径之比l/di≥60。若l/di ＜60，将由上式算得的α 乘以［1 +( di/l)0．7］加以修正。
特征尺寸l:取管内径di。
定性温度:取流体进、出口温度的算术平均值。
②高黏度液体。
式中:μw——壁温下流体的黏度，Pa·s。
应用范围和特征尺寸同低黏度流体的要求。
定性温度:取流体进、出口温度的算术平均值。
【例2 -2】空气以4m /s 的流速通过φ75．5mm × 3．75 mm 的钢管，管长20m。空气入口温度为32 ℃，出口温度为68 ℃，试计算:(1) 空气与管壁间的对流传热系数。( 2) 如空气流速增加一倍，其他的条件均不变，对流传热系数又为多少?
解:此题为无相变时流体在管内作强制流动时对流传热系数，故首先判断流动类型，再选用对应关联式计算:
(2) 当物性及设备不改变，仅改变流速，根据上述计算式知α ∝u0．8
现u′ = 2u = 2 ×4 = 8m/s
查一查 其他不同情况下对流传热系数的关联式。
3.流体有相变化时的对流传热 流体相变传热有两种情况: 一种是蒸汽的冷凝，一种是液体的沸腾。化工生产中，流体在换热过程中发生相变的情况很多，例如，在蒸发过程中，作为加热剂的蒸汽会冷凝成液体，被加热的物料则会沸腾汽化。由于流体在对流传热过程中伴随有相态变化，因此有相变比无相变时的对流传热过程更为复杂。
(1) 蒸汽冷凝。如果蒸汽处于比其饱和温度低的环境中，将出现冷凝现象。在换热器内，当饱和蒸汽与温度较低的壁面接触时，蒸汽将释放出潜热，并在壁面上冷凝成液体，发生在蒸汽冷凝和壁面之间的传热称为冷凝对流传热，简称冷凝传热。冷凝传热速率与蒸汽的冷凝方式密切相关。蒸汽冷凝主要有两种方式:膜状冷凝和滴状冷凝。如果冷凝液能够润湿壁面，则会在壁面上形成一层液膜，称之为膜状冷凝;如果冷凝液不能润湿壁面，则会在壁面上杂乱无章地形成许多小液滴，称为滴状冷凝。
在膜状冷凝过程中，壁面被液膜所覆盖，此时蒸汽的冷凝只能在液膜的表面进行，即蒸汽冷凝放出的潜热必须通过液膜后才能传给壁面。因此冷凝液膜往往成为膜状冷凝的主要热阻。冷凝液膜在重力作用下沿壁面向下流动时，其厚度不断增加，所以壁面越高或水平放置的管子管径越大，则整个壁面的平均α 也就越小。
在滴状冷凝过程中，大部分壁面直接暴露在蒸汽中，由于在这些部位没有液膜阻碍热流，故其α 很大，是膜状冷凝的十倍左右。
尽管如此，但是要保持滴状冷凝是很困难的。即使在开始阶段为滴状冷凝，但经过一段时间后，由于液珠的聚集，大部分都要变成膜状冷凝。为了保持滴状冷凝.可采用各种不同的壁面涂层和蒸汽添加剂，但这些方法还处于研究和实验阶段。故在进行冷凝计算时，为保险起见一般按膜状冷凝来处理。
(2) 液体沸腾。将液体加热到操作条件下的饱和温度时，整个液体内部，都将会有气泡产生，这种现象称为液体沸腾。发生在沸腾液体与固体壁面之间的传热称为沸腾对流传热，简称为沸腾传热。
工业上液体沸腾的方法主要有两种:一种是将加热壁面浸没在液体中，液体在壁面处受热沸腾，称为池内沸腾; 另一种是液体在管内流动时受热沸腾，称为管内沸腾。后者机理更为复杂。
目前，对有相变时的对流传热的研究还不是很充分，尽管迄今已有一些对流传热系数的经验公式可供使用，但其可靠程度并不是很高。
想一想 在有相变传热的换热器中通常安装有排除不凝性气体的阀门，为什么?
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