管壳与热管换热比较

热管与管壳换热管的传热性能的分析比较

一、有一热管，蒸发段和冷凝段的长度均为L ，内外径分别为i r ，o r ，热管的 总传热系数为1K （以蒸发段的外表面为换热面，面积为A ），热管的材质为碳 钢，工作工质为水。则根据传热热阻公式有：

112ln(/)ln(/)

111o o i o o i r r r r r r R A K h h λλ

=++++ 相变

1h --热管加热段表面传热系数，2/()W m ℃ 2h --热管冷却段表面传热系数，2/()W m

℃ ln(/)

o o i r r r λ

--热管加热段、冷却段的管壁导热热阻，2

m

℃/W

R 相变--管内工质的相变热阻，℃/W λ--管壁的导热系数，)/(W m ℃

二、有一换热管，长度为2L ，内外径分别为i r ，o r ,换热管的总传热系数为2K （以换热管外表面为换热面，面积为2A ），换热管的材质为碳钢。则根据传热热阻公

式有：

22ln(/)111()o o i o i i r

r r r K a a r λ

=++

o a --换热管管外表面换热系数，2/()W m ℃ i a --换热管管内表面换热系数，2/()W m

℃ 2ln(/)

o i r r r λ

--换热管管壁导热热阻，2

m

℃/W

λ--管壁的导热系数，)/(W m ℃

三、①流体横向外掠单管的准则式：1/3Re Pr n hl

Nu C λ

==

C, n --修正系数

h --流体横向外掠单管的表面换热系数，2/()W m ℃ l --特征长度，m

λ--流体导热系数，)/(W m ℃

Re --Re ul

ν

=

u --特征流速，m /s

ν--流体的运动粘度，2/m s

Pr --Pr =,a a c

νλ

ρ=

ρ--流体密度，kg/3m

c --流体比热容,J/(kg ℃)

式中：C 及n 值见表3-1；定性温度为（w t t ∞+）/2；特征长度为管外径，特征速度为通道来流速度u ∞。该式对空气的实验温度验证范围为t ∞=15.5~980℃，

w t =21~1046℃。

表3-1

②管槽内湍流强制对流传热关联式：0.80.023Re Pr n hl

Nu λ

=

=

h --管槽内湍流强制对流表面换热系数，2/()W m ℃ l --特征长度，m

λ--流体导热系数，)/(W m ℃

Re ，Pr 与前面提到的表达式一致

加热流体时，n =0.4；冷却流体时，n =0.3。此式适用于流体与壁面温度具有中

等温差的场合。定性温度为流体平均温度f t （即管道进、出口两个截面的平均温度的算术平均值。特征长度为管内径。实验验证范围为Re =4510~1.210⨯，

Pr =0.7~120，/60l d ≥ 。所谓中等温差，其具体数值视就算精确程度而定，有

一定的幅度。一般说，对于气体不超过50℃；；对于水20~30℃；对于

1d dt

η

η大的油类不超过10℃。

四、由传热公式AK t Φ=∆，已知相同长度的换热管的换热面积是热管的两倍，得出当1K =22K 时，在相同的温差t ∆下，他们传热功率相等。当热管和管壳换热管在相同的工况下换热时，初略比较1K 、2K 的表达式可以得出，1K <22K ,所以可以得出：在不加肋片的情况下，单根相同长度的管壳换热管的传热效率优于热管。

五、加上肋片之后换热情况 ①单个肋片效率：f η=

实际散热量

假设整个肋表面处于肋基温度下的散热量

②肋面总效率：r f f o r f

A A A A ηη+=

+

r A --两个肋片之间的根部表面积

f A --肋片的表面积

③整个肋面的换热量000A h t Ah t ηηβΦ=∆=∆

A --光管外表面积

0A --所有肋片与根部面积之和,0r f A A A =+

h --流体与整个表面的传热系数，对光管和肋片管有一定的差别，这里暂不加以区分。

β--肋化比，0A

A

β=

t ∆--肋基部与流体的温差

由以上式子可以得出，给光管加上肋片后，其总传热量增加了0ηβ倍，等同于其换热系数（换热面积为光管表面积）增加了0ηβ倍。所以，对于第一章的热管，当在加热段和冷却段分别加上肋片后，其总传热系数1K （以蒸发段的外表面为换热面，面积为A ）：

10102ln(/)ln(/)111

o o i o o i r r r r r r R A K h h ηβηβλλ

=++++ 相变 对于第二章的管壳式换热管，由于结构的限制，只能在管外加上肋片，管内可以

采用螺纹管强化换热，假设采用螺纹管后换热系数能增加α倍，则其总传热系数 2K （以换热管外表面为换热面，面积为2A ）

： 20ln(/)111()o

o

o i o i i r r r r K a a r ηβαλ

=++ 当在用于两流速相差不大的气体的换热时，换热热阻主要存在于表面对流换

热上，这时可以忽略管壁的导热热阻及热管内工质的相变热阻（与表面换热热阻相比属于小量），且12,,,i o h h a a 相差不大，若不加肋片，12,K K 数值也相差不大，加上肋片之后1K 近似增大0ηβ倍（0ηβ的值与肋片表面与流体的换热系数h ，肋

片导热系数λ以及肋片形状有关，h

λ

越小，0ηβ的值越大），2K 近似可以增大2α

倍，由于气体的表面换热系数较小，所以α是远小于0ηβ的，即1K 是大于22K 的。所以在两气体之间的换热一般采用热管式（加肋片）换热器。对于气体和液体，以及液体和液体之间的换热，由于液体的表面换热系数较大，肋化效率不高，所以在加肋片方面热管与管壳式换热管相比没有绝对的优势。下一章将结合具体工况来计算比较。

五、以热水与有机工质R245fa 之间的换热为例，具体分析单根热管与管壳式换热管的传热性能。假定热水的定性温度为70℃,压强为0.2MPa,流速为1.5m/s,在管壳式换热管中走管内。R245fa 的定性温度为50℃(不考虑相变)，压强为