對流換熱係數

概述

對流傳熱是固體表面與流動流體（液體或氣體）之間交換熱量的過程。其傳熱率遵循牛頓冷卻定律，並受到流體性質、流動狀態（層流或紊流）、表面幾何形狀及流速影響。

關鍵公式

牛頓冷卻定律可計算總傳熱率。

**對流傳熱係數（h）**通常由包含努塞爾數（Nu）、雷諾數（Re）及普朗特數（Pr）等無因次數的經驗關係式求得。平板強制對流的常見形式為：

$Nu = C \cdot Re^m \cdot Pr^n$

其中 h = (Nu * k) / L，k 為流體的熱傳導率，L 為特徵長度。

變數

典型對流傳熱係數

h 值的變化範圍很大。初步設計時，可將下列數值作為概略的數量級估值。

強制對流與自然對流

當幫浦、風扇或攪拌器等外力促使流體流動時，便會發生強制對流。自然對流或自由對流則由浮力引起，而浮力源自流體溫度變化所造成的密度差異。牛頓最早描述了透過對流傳遞的單位表面熱量，此關係稱為牛頓冷卻定律。

範例 - 對流傳熱

某外牆的表面積為 60 m2，對流傳熱係數為 8 W/(m2 K)，牆面與周圍空氣的溫差為 12 K：

$Q = h A \Delta T = 8 \times 60 \times 12 = 5760 \text{ W}$

因此，從較熱表面傳至較冷空氣的傳熱率為 5.76 kW。若已知具代表性的對流傳熱係數，同一關係也適用於冷卻盤管、加熱板、製程容器及管路表面。

單位換算器

氣流傳熱係數圖

對於氣流，來源頁面提供下列經驗近似式：

$h_{c,W} = 1.16(10.45 - v + 10v^{1/2})$

其中 $v$ 是物體表面與空氣之間的相對速度，單位為 m/s。此為經驗公式，約適用於 2 至 20 m/s 的速度範圍。

對流傳熱係數圖

下方將原始 convective_heat_transfer_chart.png 圖片呈現為互動式資料。由於來源圖片是範圍圖，每種過程均繪出係數的下限與上限。

還原的原始來源表格

下列表格由原始來源頁面還原，以保留完整的參考資料。快取的來源頁面只包含共用的搜尋／版面表格，沒有工程資料列；實質的對流資料已保留於上方的係數資料表與互動式圖表中。

原始源圖

保留下列原始來源圖片，以免遺失視覺參考資料。若圖片包含圖表或表格資料，擷取出的數值會呈現在頁面表格、計算器或互動式圖表中；其餘圖片則保留作為視覺來源參考。

工程要點

• 牛頓冷卻定律是一項定義，並非預測定律。任何分析中最複雜的部分，都是決定適當的 h 值。
• 流動狀態非常關鍵。 紊流通常會產生比層流高得多的 h 值。
• 流體性質（密度、黏度、比熱及熱傳導率）會隨溫度改變。 關係式通常採用在膜溫下評估的性質；膜溫是表面溫度與自由流溫度的平均值。
• 表面粗糙度、方向及邊界層發展會顯著影響效能。
• 相變（沸騰、冷凝）會大幅提高傳熱係數，因此需要使用專門的關係式。

參考資料

• 原始來源：傳熱 - 對流