对流换热系数是描述流体与固体表面之间换热能力的物理量,表示单位时间内、单位面积上通过对流与流体交换的热量。其定义为:流体与固体表面之间的换热能力,即物体表面与附近空气温差1℃时,单位时间单位面积上通过对流与附近空气交换的热量,单位为W/(m^2·℃)。
对流换热系数的基本计算公式由牛顿于1701年提出,因此也被称为牛顿冷却定律。该公式表明,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:
\[ q = h \cdot (t_w - t_\infty) \]
其中:
\( q \) 是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,单位是W/m^2;
\( t_w \) 是固体表面的温度,单位是K;
\( t_\infty \) 是流体的温度,单位是K;
\( h \) 是表面对流传热系数,单位是W/(m^2·K)。
此外,对流换热系数的大小与多种因素有关,包括换热过程中空气的物理性质、换热表面的形状、部位、表面与流体之间的温差以及空气的流速等。例如,表面附近的气流速度越大,其表面对流换热系数也越大。
对流换热系数的大致量级:
空气自然对流:5 ~ 25 W/(m^2·℃)
气体强制对流:20 ~ 100 W/(m^2·℃)
水的自然对流:200 ~ 1000 W/(m^2·℃)
水的强制对流:1000 W/(m^2·℃)
这些数值范围提供了在不同条件下对流换热系数的参考,实际应用中可能需要根据具体情况进行更精确的计算。
经验公式:
对流换热系数还可以通过经验公式计算,例如巴兹公式等。这些公式通常基于实验数据和理论分析得出,用于预测在不同条件下的对流换热系数。
综上所述,对流换热系数是描述流体与固体表面之间换热能力的重要参数,其计算和应用需要综合考虑多种因素。